風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的建模和網(wǎng)格劃分

2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文介紹了使用ANSYS軟件建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的有限元分析模型和網(wǎng)格的方法。
徐鶴山來源:e-works
關(guān)鍵字:風(fēng)力發(fā)電機(jī) 結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格劃分

前言:

采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,建立結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型是結(jié)構(gòu)分析的重要環(huán)節(jié)之一。對(duì)于風(fēng)電機(jī)而言,最難建立的計(jì)算模型是葉片和槳轂。本文著重介紹槳轂的建模和分網(wǎng)。

使用ANSYS軟件(程序)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,本人建議盡量用ANSYS程序建模,而盡量不采用其他CAD軟件建模后再導(dǎo)入ANSYS程序作結(jié)構(gòu)分析的作法。理由如下:

1.一般而言,工程中作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析是不追求理論解的,即不求絕對(duì)真實(shí)的,而是要求滿足公差即可。在結(jié)構(gòu)分析中如果對(duì)結(jié)構(gòu)不作簡(jiǎn)化,求絕對(duì)真實(shí),是要花費(fèi)代價(jià)的,甚至行不通。

2.采用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,一般都要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。如果用其他CAD軟件建模,再導(dǎo)入ANSYS程序的作法,必須在導(dǎo)入以前或?qū)胍院髮?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和處理(刪除無關(guān)緊要的圓角、倒角和小孔等)。這種簡(jiǎn)化和處理過程花費(fèi)的代價(jià),還不如直接使用ANSYS程序建模核算。

3.有限元數(shù)值分析結(jié)果通常都是近似解,盡管模型再真實(shí),網(wǎng)格再細(xì),也得不到理論解。

4.ANSYS程序的前、后處理器是很好用的,特別是它的布爾運(yùn)算功能和工作平面的應(yīng)用是一般CAD軟件不能比的?？梢哉f,筆者還沒有遇到過不能建立的計(jì)算模型。

一、槳轂結(jié)構(gòu)原始數(shù)據(jù)(為設(shè)定數(shù)據(jù),如果需要可按比例設(shè)計(jì))

槳轂結(jié)構(gòu)分析是風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析解決方案之一。槳轂結(jié)構(gòu)是風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)(圖1)的重要組成部分。槳轂結(jié)構(gòu)(見圖2),通常由與葉片連接的輪輻段(上、左、右)、與主軸連接段(前)和與頂蓋連接段(后)組成。由于槳轂結(jié)構(gòu)及其承受的載荷循環(huán)對(duì)稱,結(jié)構(gòu)分析時(shí),取整個(gè)槳轂結(jié)構(gòu)的1/3部分作為計(jì)算模型,見圖3。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的建模和網(wǎng)格劃分+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片1

圖1風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖中代碼說明:1、2—為整流罩(其中有Hub Controller 、Pitch Cylinders)

3—為槳轂(Blade Hub)4—為主軸(Main Shaft)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的建模和網(wǎng)格劃分+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片2

風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的建模和網(wǎng)格劃分+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片3

圖2槳轂結(jié)構(gòu)模型圖3槳轂結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(1/3部分)

1.幾何數(shù)據(jù)(單位:mm)

(1)空心球槳轂數(shù)據(jù):外圓R1=300內(nèi)圓R2=270

(2)圓管輪輻數(shù)據(jù):管外R1=200管內(nèi)R2=170法蘭邊R3=240

(3)圖2前面連接段數(shù)據(jù):管外R1=100管內(nèi)R2=70

(4)圖2后面連接段數(shù)據(jù):管外R1=200管內(nèi)R2=170

(5)坐標(biāo)數(shù)據(jù): XYZ

1000(槳轂中心)

222000(第一圓柱起點(diǎn))

332000(第一圓柱終點(diǎn))

430000(輪輻法蘭起點(diǎn))

500-305 (第二圓柱起點(diǎn))

600-220 (第二圓柱終點(diǎn))

700220 (第三圓柱起點(diǎn))

800250 (第三圓柱截取位置)

900305 (第三圓柱終點(diǎn))

2.材料數(shù)據(jù)

彈性模量E=2.1e5 (N/mm2)泊松比μ=0.3材料密度ρ=7.85e-9(t/mm3)

3.單元類型

20node95體單元

二、槳轂、輪輻建模過程

1.生成第一圓柱體(R1=200起點(diǎn):X=220Y=0Z=0終點(diǎn):X=320Y=0Z=0)

(1)設(shè)置、顯示、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)(90°)工作平面,使工作平面與所在軸線垂直。

設(shè)置菜單路徑:【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【W(wǎng)P Settings】

激活“⊙Grid and Trid”,設(shè)置柵格間距“Spacing=10”和范圍“Minmum=-100”“Maxmum=100”。

顯示菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Display Working Plane】

激活“Display Working Plane”。

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=220Y=0Z=0”移動(dòng)工作平面。

旋轉(zhuǎn)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP By Increments】

用90°角度,繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),使工作平面與X軸線垂直。

(2)生成直線(X1=220X2=320)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】

(3)生成實(shí)心圓面(WP X=0WPY=0R=200)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】

(4)將實(shí)心圓面沿所生成的直線拉成圓柱

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】

2.生成第二圓柱體

(1)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)(90°)工作平面,使工作平面與所在軸線垂直。

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=0Y=0Z=-305”移動(dòng)工作平面。

旋轉(zhuǎn)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP By Increments】

用90°角度,繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),使工作平面與Z軸線垂直。

(2)生成直線(Z1=-305Z2=-220)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】

(3)生成實(shí)心圓面(WP X=0WPY=0R=100)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】

(4)將實(shí)心圓面沿所生成的直線拉成圓柱

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】

3.生成第三圓柱體

(1)移動(dòng)工作平面

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=0Y=0Z=220”移動(dòng)工作平面。

(2)生成直線(Z1=220Z2=305)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】

(3)生成實(shí)心圓面(WP X=0WPY=0R=200)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】

(4)將實(shí)心圓面沿所生成的直線拉成圓柱

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】

4.生成實(shí)心球體

(1)移動(dòng)工作平面

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=0Y=0Z=0”移動(dòng)工作平面。

(2)生成實(shí)心球體(WP X=0WP Y=0WP Z=0R=270)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Volumes】→【Sphere】→【Solid Sphere】

5.從三個(gè)圓柱體減去實(shí)心球體

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】

先拾取被減三個(gè)圓柱體,后拾取實(shí)心球體。

6.生成空心球體(WP X=0WP Y=0WP Z=0R1=300R2=270)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Volumes】→【Sphere】→【Hollow Sphere】

7.空心球體與三個(gè)圓柱體相加形成部分槳轂外形

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Volumes】

8.生成三個(gè)較小圓柱體(菜單路徑和操作同前)

(1)第一圓柱體

R1=170起點(diǎn):X=220Y=0Z=0終點(diǎn):X=320Y=0Z=0

(2)第二圓柱體

R2=70起點(diǎn):X=0Y=0Z=-305終點(diǎn):X=0Y=0Z=-220

(3)第三圓柱體

R3=170起點(diǎn):X=0Y=0Z=220終點(diǎn):X=0Y=0Z=305

9.從部分槳轂外形中減去三個(gè)較小圓柱體(拾取被減體一個(gè),減體三個(gè))

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】

10.截取第三空心圓柱體

(1)移動(dòng)工作平面

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=0Y=0Z=250”移動(dòng)工作平面。

(2)用工作平面分第三空心圓柱體

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Divide】→【Volu By Wrkplane】

(3)刪除部分空心圓柱體

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Volume and Below】

11.生成輪輻法蘭

(1)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)(90°)工作平面,使工作平面與所在軸線垂直。

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=300Y=0Z=0”移動(dòng)工作平面。

旋轉(zhuǎn)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP By Increments】

用90°角度,繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),使工作平面與X軸線垂直。

(2)刪除直線(X1=220X2=320)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Lines Only】

(3)生成直線(X1=300X2=320)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】

(4)生成空心圓面(WP X=0WP Y=0R1=240R2=200)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Annulus】

(5)將空心圓面沿所生成的直線拉成輪輻法蘭

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】

12.輪輻法蘭與輪輻相加

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Volumes】

13. 生成輪輻法蘭上的銷釘孔

(1)移動(dòng)工作平面

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=300Y=220Z=0”移動(dòng)工作平面。

(2)生成直線(X1=300X2=320)

(3)生成實(shí)心圓面(WP X=0WPY=0R=6)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】

(4)將實(shí)心圓面沿所生成的直線拉成一個(gè)小圓柱

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】

(5)移動(dòng)工作平面

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】

用“X=0Y=0Z=0”移動(dòng)工作平面。

(6)生成局部圓柱坐標(biāo)系

菜單路徑:【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Local Coordinate Systems】→【Create Local CS】→【At WP Origin…】

在“KCN”中設(shè)置“11”,在“KCS”中選擇“Cylindrical 1”。

(7)移動(dòng)(X=320 Y=0Z=0)、轉(zhuǎn)動(dòng)工作平面,使局部圓柱坐標(biāo)系Z軸與總體坐標(biāo)系X軸重合。

(8)復(fù)制30個(gè)小圓柱(ITIME=30,DY=12 角度)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Volumes】

(9)從輪輻法蘭上減去全部小圓柱形成銷釘孔

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】

(10)將工作平面坐標(biāo)系改為笛卡爾坐標(biāo)系

菜單路徑:【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Local Coordinate Systems】→【Create Local CS】→【At WP Origin…】

在“KCN”中設(shè)置“11”,在“KCS”中選擇“Cartesian 0”。

注:槳轂結(jié)構(gòu)分析通常不考慮輪輻法蘭上的銷釘孔,因此第13步可以省略。

14.分部分槳轂為三等份(120°范圍)

移動(dòng)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP to】

移動(dòng)工作平面(0,0,0)

旋轉(zhuǎn)菜單路徑: 【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Offset WP By Increments】

轉(zhuǎn)動(dòng)工作平面與輪輻軸線成60°,轉(zhuǎn)動(dòng)兩次。

將部分槳轂分為三份菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Divide】→【Volu By Wrkplane】

15.刪除其中兩份,保留包括輪輻的一份,并儲(chǔ)存1/3槳轂計(jì)算模型文件(JGu2)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Volume and Below】

16.激活總體圓柱坐標(biāo)系

菜單路徑:【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Change Active CS to】→【Global Cylondrical】

17.將1/3槳轂復(fù)制成整個(gè)槳轂(ITIME=3,DY=120 角度)

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Volumes】

18.三部分槳轂相加形成整個(gè)槳轂

菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Add】→【Volumes】

19.激活總體笛卡兒坐標(biāo)系

菜單路徑:【Utility Menu】→【W(wǎng)orkplane】→【Change Active CS to】→【Global Cartesian】

20.儲(chǔ)存槳轂?zāi)Ｐ臀募?JGu1)

三、槳轂、輪輻的網(wǎng)格劃分

(1)啟動(dòng)1/3槳轂、輪輻計(jì)算模型文件(JGu2)

(2)將1/3槳轂、輪輻計(jì)算模型賦置屬性

菜單路徑:【Preprocessor】→【Meshing】→【Meshing Attribute】→【Picked Volumes】

(3)采用自由網(wǎng)格劃分法對(duì)槳轂和輪輻劃分

菜單路徑:【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】

執(zhí)行菜單路徑命令彈出網(wǎng)格劃分工具,在“Size Controls:”、“Global”中單擊[Set]按鈕,彈出對(duì)話框后,在“SIZE”中設(shè)置“20”,單擊[OK]按鈕。然后進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的建模和網(wǎng)格劃分+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片4

風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂結(jié)構(gòu)的建模和網(wǎng)格劃分+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片5

圖3在“SIZE”中設(shè)置“10”的網(wǎng)格圖4在“SIZE”中設(shè)置“20”的網(wǎng)格

注:圖3、圖4分網(wǎng)沒考慮銷釘孔,計(jì)算時(shí)建議采用圖4的網(wǎng)格。

如果網(wǎng)格太多,計(jì)算機(jī)的容量不夠,還可以采用子模型分網(wǎng)和計(jì)算。即先劃分區(qū)域用粗網(wǎng)格分網(wǎng)、計(jì)算,再取重要的局部區(qū)域進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格計(jì)算。
四、結(jié)論

本文詳細(xì)地給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳轂、輪輻結(jié)構(gòu)的建模過程和ANSYS程序的具體菜單路徑。這些建模過程和菜單路徑,對(duì)于采用實(shí)體單元建模是非常有用的。

按著ANSYS程序的分析步驟,計(jì)算模型建好以后,接下來就是指定分析類型、設(shè)置分析選項(xiàng)、施加邊界條件和載荷、進(jìn)行計(jì)算。由于本文著重介紹建模過程,因此,下面的步驟在此省略。

讀者如果有載荷,可施加邊界條件繼續(xù)作下去。但作為工程分析,其載荷必須由葉片計(jì)算后得到,假設(shè)的載荷只能作調(diào)試用。得到結(jié)果后可利用循環(huán)對(duì)稱關(guān)系,進(jìn)一步得到整個(gè)槳轂的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] ANSYS 結(jié)構(gòu)分析指南, 建模與分網(wǎng)手冊(cè),WWW.ANSYS.COM.CN

[2] 徐鶴山編著,ANSYS程序在建筑工程中的應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社2005.8

[3] 徐鶴山編著,建筑鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例分析,機(jī)械工業(yè)出版社2007.8

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