无网格法在风电机组轮毂吊具强度分析中的适用性研究_汪小芳.pdf

年，第 期 31 收稿日期：作者简介：汪小芳（），男，浙江兰溪人，正高级工程师，从事风电设计创新技术研究。无网格法在风电机组轮毂吊具强度分析中的适用性研究汪小芳，刘 勇，孙 辉，聂新宇，（浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州；浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州）摘 要：为了研究无网格法在风电机组轮毂吊具强度分析中的适用性，选择具有代表性的两个案例，一个是包含摩擦接触关系的轮毂平吊吊具，另一个是考虑螺栓预紧力的轮毂翻身吊具，分别利用有限元法和无网格法进行强度分析。相比于传统有限元法，无网格法计算时间缩短了约，总体变形偏差约，应力偏差约在以内，螺栓轴向力的平均偏差大约在 以内。可知无网格法的计算结果具有很高的精度，可以很好地适用于轮毂吊具的强度分析。建议设计工程师采用无网格法进行设计计算，提高设计效率。关键词：无网格法；有限元法；轮毂吊具中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引 言风电轮毂是风力发电机组中的关键部件，结构及形状复杂，吊装难度大。随着机组容量的增大，特别是海上风电项目的轮毂，装配重量已经达到上百吨。此时，传统的柔性吊装带和卸扣的起吊方式已不再适用，而需要设计专用的起吊工具。轮毂专用吊具的设计过程中，既要考虑结构简单、操作灵活和使用方便，更要确保机械强度满足要求，以提高吊装作业的可靠性和安全性，否则会造成严重的吊装事故。鉴于工程算法的局限性，目前行业内已经普遍采用有限元方法对吊具进行强度分析。然而，有限元分析过程中的几何简化、网格划分以及非线性过程的收敛困难等问题都会极大地影响计算效率。一款全新设计新能源与储能DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.002 32 的吊具，从初始方案到最终的设计定稿，有时会经过十多轮的变更迭代。期间，各设计版本的强度分析耗时较久，严重拖慢了设计进度。针对有限元计算的上述问题，公司为设计工程师开发出无网格法计算软件 。该软件直接使用原始几何模型，无需模型简化和网格划分，可在几分钟内提供结构的分析结果。以 有限元结果作为基准，文献分别对简单研究模型和矿用特种车辆摆架做了对比分析，认为在误差允许范围内，无网格法可以广泛应用于产品设计的初期阶段。本文选择具有代表性的两个案例：一个是包含摩擦接触关系的轮毂平吊吊具，另一个是考虑螺栓预紧力的轮毂翻身吊具，分别使用常规有限元法和 无网格法进行强度分析。以有限元法为基准，进行计算时间、变形和应力结果、螺栓工作载荷等方面的对比，研究无网格法在风电机组轮毂吊具强度分析中的适用性。无网格法与传统有限元法的区别 无网格法计算引擎基于外部近似理论的突破性扩展，是对有限元法的拓展。传统有限元方法将研究对象离散为单元，单元内定义形函数，单元内任意点的函数值通过节点值由形函数插值得到。而无网格法将研究对象离散为节点，节点之间无需网格组合，任意点的函数值是该点影响域内所有节点的函数值通过最小二乘拟合或积分变换得到。有限元中的单元必须是规则的形状比如四面体或者六面体，而 可以将任意几何形状区域甚至整个零件体用作“有限单元”。在计算域内定义的基函数不再局限于多项式，根据需要还可以引入特殊的非多项式函数。计算过程采用的自由度与几何元素的体、面、线或者点阵相关联，也就是自由度直接与几何模型相关，而非节点。与传统有限元分析方法相比，用于表示几何形状的自由度数量可以减少几个数量级。通过多轮次自适应求解，根据求解过程中局部能量密度变化或者区域间边界条件的绝对误差自动调整几何区域的自由度数以及基函数类型和阶数，实现满足要求的求解精度。以下通过两种吊具的强度分析，以有限元法结果作为基准，研究 无网格法的适用性。平吊吊具强度分析 计算模型如图 所示，该计算模型是某风电机组轮毂装配总成导流罩端的平吊吊具，主要由四个部件组成：轮毂假体、起吊梁、吊轴和起吊板。各个部件之间都是摩擦接触关系。轮毂假体底面完全固定，在起吊板上部孔内施加 的竖直起吊力，分析总体变形和各部件的应力。这是典型的接触非线性问题，其中既有起吊梁肩托与轮毂假体之间的平面接触，又有吊轴与起吊梁、起吊板之间的柱面接触。接触摩擦因子均取 。所有部件均为结构钢，材料的机械性能参数：密度 、弹性模量 、泊松比 。图 轮毂平吊吊具几何模型 有限元法分析将模型导入 划分网格，接触部位进行局部加密处理，得到如图 所示的有限元网格模型。单元数，节点数。施加位移约束和外力边界条件，按 类型建立各部件之间的接触关系，采用默认的接触控制算法和求解迭代控制策略提交计算。图 轮毂平吊吊具有限元模型新能源与储能 年，第 期 33 无网格法分析按 级别将三维模型导入。按软件自动确定的 和 值，以 精度级别建立轮毂与起吊梁之间的接触，以 精度级别建立吊轴与起吊梁、起吊板之间的接触，将所有接触关系设置为，即为可分离接触。建立可分离接触类型非线性结构分析，指定自适应求解次数为。将起吊梁、吊轴和起吊板分别建立单独的分析组，配置求解精度为，并选择 以便考虑高应力区域。设置位移约束和起吊力边界条件，提交计算。分析结果对比在 内存、线程、主频 的台式电脑上进行计算，经过 次非线性迭代收敛，共用时 ；经过 次自适应求解，共用时 。如图 所示，两种方法得到的总体变形分布趋势一致。有限元法计算的最大变形值为 ，无网格法计算的最大变形值也是。图 总体变形（上：，下：）限于篇幅，仅给出起吊梁的应力分布结果，如图 所示。两种方法得到的总体应力分布趋势一致，选取的四个关键点处的应力大小也比较接近。有限元法与无网格法对轮毂平吊吊具强度分析的具体结果对比如表 所示。从表中可以看图 起吊梁应力（上：；下：）出，相对于有限元法，无网格法计算时间缩短了，位移偏差为，应力偏差都在 以内。无网格法完全适用于轮毂平吊工具的强度计算。表 平吊吊具计算结果的比较对比项有限元法无网格法偏差计算时间 总体变形 起吊板应力 孔内 倒圆 起吊柱应力 起吊梁应力 点 点 点 点 翻身吊具强度分析 计算模型如图 所示，该计算模型是某风电机组轮毂与导流罩总成的翻身吊具，主要由轮毂假体、主吊梁、翻身吊柱、前端吊耳、前端吊柱、后端吊耳、后端吊柱以及连接螺栓组成。前端吊耳通过 颗 螺栓把紧在轮毂上；后端吊耳通过 颗 螺栓把紧在轮毂上，螺栓预紧力均为 。轮毂假体所有侧面均完全固定，翻身吊柱上施加 的竖直起吊力，解析结构的总体变形和应力新能源与储能 34 以及各个螺栓的工作载荷。该计算模型的接触摩擦因子均取 ，所有材料均为结构钢。图 轮毂翻身吊具几何模型 有限元法分析将三维模型导入 进行全六面体网格划分，得到如图 所示的有限元模型。单元数，节点数。选择 作为非线性求解器。图 轮毂翻身吊具有限元模型螺栓按 型式建模，螺杆拧紧在轮毂上，两者网格合并处理。螺栓预紧力按 方式，直接指定每个螺栓的预紧力大小为 。螺栓头与吊耳之间设置为 类型的接触，其余部件之间均为可分离摩擦接触。启用接触稳定性（）控制算法。采用 即连续非线性载荷工况分析方法，第一个工况是螺栓预紧，第二个工况是起吊分析。无网格法分析该吊具主要由薄板焊接而成，为了适应 的分析特点，吊具的各块薄板之间保持建模的初始状态，即相互之间不进行合并处理。按 级别将三维模型导入。手动识别出圆头螺栓零件，并自动建立螺栓与相邻部件的绑定（）接触关系。按 精度级别建立除螺栓外的所有部件间的接触关系。吊具各薄板之间为绑定关系，其余均为可分离接触（）。建立可分离接触类型非线性结构分析，指定自适应求解次数为。将轮毂假体单独归为一个分析组，将所有螺栓归为一个分析组，均按默认值配置求解参数。吊耳和吊柱各自建立分析组，求解精度为，并且考虑特征因素（）。吊具薄板按体积大小分为若干个分析组，参数配置同吊耳一样。另外，吊具上的弯曲薄板还要考虑薄体特征（）。施加螺栓预紧力、位移约束和起吊力，即可进行分析计算。分析结果对比在 内存、线程、主频 的台式电脑上进行计算，分两个载荷步，一共经过 次非线性迭代收敛，共用时 ；无需拆分载荷步，经过 次自适应求解，共用时 。如图 所示，两种方法得到的总体变形分布趋势一致。有限元法计算的最大变形值为 ，无网格法计算的最大变形值为 ，偏差 。图 总体变形（左：，右：）限于篇幅，仅给出主吊梁的应力分布结果，如图 和图 所示。两种方法得到的总体应力分布新能源与储能 年，第 期 35 趋势一致，选取的两个关键点处的应力大小也比较接近。图 总体应力（左：，右：）图 局部应力（上：，下：）在外力载荷作用下，因连接刚度不同会引起各个螺栓的工作载荷出现差异。前后吊耳处的螺栓编号如图 所示。两种方法计算得到的螺栓轴向力分布趋势一致，大小也比较接近，具体对比如图 和图 所示。图 吊耳螺栓编号（左：前端，右：后端）图 前端吊耳螺栓轴向力对比图 后端吊耳螺栓轴向力对比 有限元法与无网格法对轮毂翻身吊具强度分析的具体结果对比如表 所示。从表中可以看出，相对于有限元法，无网格法计算时间缩短了 ，位移偏差为 ，应力偏差除了前端起吊柱为 之外，其余都在 以内。螺栓轴向力的平均偏差也约在 以内。无网格法完全适用于轮毂翻身吊具的强度计算。新能源与储能 36 表 翻身吊具计算结果的比较对比项有限元法无网格法偏差计算时间 总体变形 起吊柱应力 翻身 前端 后端 吊耳应力 前端 后端 起吊梁应力 点 点 螺栓轴向力 前端详见图 后端详见图 结 论 无网格法是对传统有限元方法的突破性扩展，消除了几何简化和网格划分这两项常规有限元分析方法中最耗时的任务。而且无网格法用于表示几何形状的自由度数量比传统有限元法可以减小几个数量级，所以计算高效，可在普通的台式电脑上完成复杂零件的仿真分析，并在几秒钟或几分钟内快速给出计算结果。在对风电机组轮毂平吊和翻身工具的解析对比中，相对于传统有限元方法，无网格法计算时间节省了约，总体变形偏差在 左右，应力偏差大约在 以内，计算的螺栓轴向力的平均偏差大约在 以内。研究可知，无网格法得到的计算结果具有很高的精度，可以很好地适用于风电机组轮毂吊具的强度分析，建议设计工程师应用无网格法进行设计计算，以提高设计效率。参考文献：张 玉 风力发电机轮毂平吊吊具的改进 金属制品，（）：马德云，鲁巧稚，南锟，等 风力发电风机吊装事故原因分析 建筑技术，（）：黄文杰 风力发电机组吊装吊具强度的有限元计算方法 建筑工程技术与设计，（）：杨晓宇，何艳飞，曹铭超，等 基于 的零件无网格仿真对比分析 桂林航天工业学院学报，（）：张 娜 基于 的矿用特种车辆摆架结构分析 煤矿机电，（）：，（责任编辑 杨启岳）新能源与储能