Abaqus在风电领域解决方案

Forming Abaqus风电行业解决方案
Simulia软件公司
2009年5月
目录
第一章Abaqus简介 (1)
第二章Abaqus风电领域简介............................................. .. 5 第三章Abaqus应用实例 (6)
第一章Abaqus简介
1. 1Abaqus软件公司及产品简介
美国Abaqus软件公司成立于1978年，总部位于美国罗德岛博塔市，专门从事非线性有限元力学分析软件Abaqus的开发与维护。

公司总部雇员二百余人，其中近90人具有工程或计算机博士学位，近60人具有硕士学位，被公认为世界上最大且最优秀的固体力学研究团体。

Abaqus软件已被全球工业界广泛接受，并拥有世界最大的非线性力学用户群。

Abaqus软件以其强大的非线性分析功能以及解决复杂和深入的科学问题的能力，除了在广大工业用户中得到认可外，也在以高等院校、科研院所等为代表的高端用户中得到广泛赞誉。

随着研究水平提高所引发的对高水平分析工具需求的加强，Abaqus软件在各行业用户群中所占据的地位也越来越突出。

风电领域是Abaqus软件的一个重要应用领域。

2002年5月成立的Abaqus公司北京代表处和2005年1月成立的Abaqus公司上海代表处是Abaqus公司在大中国地区的两个分支机构，全面负责Abaqus 软件在中国的推广和服务，以及软件的本地化工作。

随着软硬件技术的不断发展，Abaqus公司的业务也持续发展，2002年增长11%，2003年增长18%。

Abaqus软件的用户绝大部分是租赁用户，这些用户通常对产品和服务要求都是很苛刻的。

Abaqus是一个推崇技术的公司，它始终走在结构力学研究和软件化领域的前沿，它良好的品质和服务得到业界的广泛认可，这也是占其用户很大比重的租赁用户一年又一年往复租用它的原因。

1. 2Abaqus软件产品的性能特点
人机交互界面
Abaqus/CAE是Abaqus公司新近开发的软件运行平台，他汲取了同类软件和CAD软件的优点，同时与Abaqus求解器软件紧密结合。

与其他有限元软件的界面程序
比，Abaqus/CAE具有以下的特点：
●采用流行的大多数CAD软
件建模方式，通过布尔运算、
拖拉、旋转、拷贝、镜射、
倒角等多种手段，可以建立
起真实地反映工程结构的
复杂几何模型。

另外它还是
可视化视窗系统，具有良好
的人机交互特性。

●Abaqus还提供了与CAD 软件专用的数据接口，能实现与CAD 软件的无
缝几何模型传递。

这些CAD 软件有CATIA、UG、Pro/E、IDEAS，Solidwork、
Solid edge、Inventor、MDT等等。

Abaqus还可以读取如下格式的图形标
准文件：SAT、STEP、ParaSolid、IGES、DXF等等。

●采用了参数化建模方法，为实际工程结构的参数设计与优化，结构修改
提供了有力工具。

●强大的模型管理和载荷管理手段，为多任务、多工况实际工程问题的建
模和仿真提供了方便。

●鉴于接触问题在实际工程中的普遍性，单独设置了Interaction模块，可
以精确地模拟实际工程中存在的多种接触和连接问题，并可以进行从零
件级到系统级的分析。

●具有很强的开放性，可以结合Python语言方便的定制用户化界面，方便
用户操作。

求解器性能
Abaqus软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势。

其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和接触非线性等多个方面。

Abaqus/Standard是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响应等。

对于通常同时发生作用的几何、材料和接触非线性采用自动控制技术处理。

Abaqus拥有CAE工业领域最为广泛的材料模型，它可以模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为，而且任何一种材料都可以和任何一种单元或复合材料层一起用于任何合适的分析类型。

Abaqus/Explicit是利用对事件变化的显示积分求解动态有限元方程。

该模块适合于分析如冲击和爆炸这样短暂、瞬时的动态事件，对高度非线性问题也非常有效，包括模拟加工成形过程中改变接触条件的问题。

以上两种分析模块输入和输出格式是相同的。

由于Abaqus/Standard(通用程序)和Abaqus/Explicit(显式积分)同为Abaqus公司的产品，它们之间的数据传递非常方便，可以很容易地考虑预紧力等静力和动力相结合的计算情况。

Abaqus软件的求解器是智能化的求解器，可以解决其它软件不收敛的非线性问题，其它软件也收敛的非线性问题，Abaqus软件的计算收敛速度较快，并更加容易操作和使用。

综合起来，Abaqus软件具有：
比其他通用有限元软件更多的单元种类，单元种类达562种，提供了更多的选择余地，并更能深入反映细微的结构现象和现象间的差别。

除常
规结构外，可以方便地模拟管道、接头以及纤维加强结构等实际结构的
力学行为。

●更多的材料模型，包括材料的本构关系和失效准则等，仅橡胶材料模型
就达16种。

除常规的金属弹塑性材料外，还可以有效地模拟高分子材料、复合材料、高温蠕变材料等特殊材料。

Abaqus还提供灵活强大的用户自定义接口，用户可以使用Fortran语言来开发自己的材料模型。

●更多的接触和连接类型，可以是硬接触或软接触，也可以是Hertz接触（小
滑动接触）或有限滑动接触，还可以双面接触或自接触。

接触面还可以考虑复杂的摩擦和阻尼的情况。

上述选择提供了方便地模拟密封，挤压，铰连接等工程实际结构的手段。

●Abaqus的疲劳和断裂分析功能，概括了多种断裂失效准则，对分析断裂
力学和裂纹扩展问题非常有效。

●隐式和显式求解器无缝集成，同为Abaqus公司的产品，单元类型和命名
一致，用户可以很方面的进行两种求解方法的转化和联合运算。

性价比
其他通用有限元软件在解决常规的线性问题时，具有较好的性价比。

但在实际工程中，非线性是比线性远为普遍的自然现象，线性通常只是非线性的理想化假设。

随着研究水平的提高和研究问题的深入，非线性问题必然成为工程师和研究人员面临的课题，并成为制约深入研究和精确设计的瓶颈。

购买Abaqus软件可以很好地解决这些问题，缩短研制周期、减少试验投入，避免重新设计。

工欲善其事，必先利其器，使用不恰当或低档的分析工具进行工作的成本要远超过使用合适工具的成本。

因此，从综合效益和长远效益而言，Abaqus软件的经济性是非常突出的。

第二章Abaqus在风电领域简介
风电制造行业是有限元分析应用的一个重要领域。

随着全球新能源产业的飞速发展，风能由于其经济，可再生性以及研究相对成熟在国外得到了长足发展，我国在风电领域投入巨资进行产业扶持，鉴于目前制造业的困境如何能够更精细进行设计，提高研发能力应对未来的竞争是摆在每个风力制造商面前的首要问题，风力发电设备中的采用复合材料的叶片设计分析优化，塔筒模态分析，齿轮箱及其构件以及轮毂设计分析等各种接触，非线性等是深入、复杂课题，需要多门学科知识方法的综合应用。

针对风电制造领域关注的各种线
性、非线性、接触，模态等静力，动Array力学等问题，作为世界上最优秀的非
线性分析软件Abaqus有针对性的提供
了相应的分析解决方案。

Abaqus的有
限元分析能力已经被全球风机制造商
及其相关项目服务商，科研单位检验
并得到了广泛的认可。

风力发电机组结构件分析的基本内容：
风机机舱底座及其附属部分的模态，屈曲稳定，强度，疲劳等分析
齿轮箱及其组成构件在不同工况下分析
轮毂在不同工况下分析
可建模风机叶片分析
基于abaqus子模型的复合材料风机叶片python语言设计优化
塔架的有限元分析
焊接塔架门分析
陆上风机基础设计分析
海上风机基础研发以及设计
风机螺栓连接部位疲劳强度等分析
第三章应用领域实例
3.1风机机舱底座
风机机舱底座的静力和疲劳分析。

风机的机舱座用于支撑主轴承箱以及其它的部分例如液压传动部分和主变速箱。

主轴焊接在框架结构的前部，采用Abaqus测试风机机舱底座同其他构件在焊接部位的疲劳特性以及在极值荷载下的风机机舱底座变形和验证极限强度。

钢板使用四节点壳元素进行定义，如果模拟的区域不是很复杂或者应力较低用三角壳元定义，使用定义的连接梁连接不同的子结构，附加于结构上面的例如齿轮箱以及其他结构通过点质量定义。

焊接区域用shell元素定义。

如下图所示。

机舱底座及其附属部分模型
机舱底座同其他构件的焊接区域
整体应力 机舱底座应力分析
变形分析 Weld_2Weld_1
Weld_3
Weld_4Weld_5Weld_6Weld_9I Weld_8
Weld_7Weld_9D
Weld_11I Weld_10I Weld_10D Weld_12Weld_13Weld_11D
Weld_15
Weld_14
Weld_17Weld_16
Detail 1Detail 2
疲劳荷载下的焊缝变形
3.2齿轮箱及其零部件的设计验证分析
风电系统的失效率12%来自齿轮箱的失效，大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍。

齿轮箱的失效是导致故障时间、维修和产量减少的主要原因，一般其损失要占风电设备总价的15%~20%。

其中齿轮和轴承错误对于失效的影响最大。

瑞士EES 公司在风机服务领域具有多年成功经验，以下是该公司利用Abaqus为欧洲客户分析设计的风机齿轮箱。

涉及齿轮箱整体分析以及齿轮的具体细节设计。

并且应用abaqus分析在疲劳以及各种荷载下齿轮箱内部构件的应力变形以及抗疲劳特性。

通过专业分析设计能够有效的提高齿轮箱的寿命，减少可能出现的误差。

，
3.3风机叶片设计分析
风力发电机组要获得较大的风力发电功率，关键在于要有能轻快选转的叶片，叶片的翼型设计结构形式，直接影响到风力发电装置的性能和功率，同时叶片又是风力发电机中的核心部分，风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键，目前的叶片已经发展到采用各种复合材料进行设计，Abaqus中
丰富的材料库可以适应目前风机叶片设计中考虑的各种材料，优秀的非线性分析能力使得考虑各种材料的非线性分析。

同时可以应用脚本语言设计用户所需要的材料的子程序自动建模，分析计算。

3.3.1叶片的静力，动力以及模态分析
3.3.2叶片的参数化建模以及网格划分
大型风机叶片表层主要由复合材料组成，玻璃纤维/环氧树脂和木头层合板/环氧树脂是经典的材料，碳纤维材料目前正在广泛的应用中。

这些材料在受压侧，受拉侧和剪切网格处组合粘结在一起。

风机叶片的表面是复杂的三维曲面，形成了一个具有变化扭转角，变化弦长和变化轴线的翼刨面。

在内部结构中的关键结构处设置较厚的粘结点。

这样就使得风机叶片材料呈现出高度的各向异性。

Abaqus模型采用python脚本语言和数学几何定义的方法设计叶片。

其中，自动操作不仅应用在经典分析中，比如网格收敛，而且应用在参数扫掠优化中，比如几何设计，材料使用，翼刨面或者刚度分布等。

python语言的数学功能可以用来去创建几何和划分网格，用户可以输入弦长，扭转角，翼刨面去定义叶片的曲面外表属性。

用python语言使得几何外形，内部形状，结构网格划分，材料，载荷，分析类型和后处理操作参数化，几何非线性和载荷工况参数化，灵敏度分析参数化。

由于叶片表面是比较复杂的曲面，但是可以用简化拓扑法来定义几何外形，即可以用一系列从根部到尖端的二维截面来定义（figure1），并用三次样条算法来构造曲面。

另外，叶片模型主要使用0厚度的线性壳单元，使用三维实体单元作
为粘合节点，在叶片空腔内嵌入四个粘结层，起到支撑加固复合材料腔体的作用（如图2）。

另一个用户参量是考虑几何非线性的影响。

当大变形发生的时候，这种考虑是非常必要的。

还有就是要考虑复合物的脱粘或者层合板的分层，这些都是很容易添加进脚本的。

分析后处理在很大程度上也是自动的，关键结果以txt文件输出。

叶片尖端的方位，模型质量和最大变形都被输出出来，并且保存成TIF图片。

直接创建场输出结果，并添加相应的颜色。

英国Rutherford Appleton实验室能源研究中心使用python所做的风机叶片的热弹应力分析。

考虑到叶片的制造缺陷影响，在缺陷处使用添加单元，重新连接单元和设置接触单元的方法反映真实工况。

通过对经向的后处理结果和结构横截面应力的分析可以检测缺陷模型。

通过对比试验，有限元结果和实验数据结果是相当吻合的。

有缺陷模型的有限元应力分析
试验结果
此解决方案是应用Abaqus用户子程序对风力发电机叶片结构进行强度极限分析。

在分析中考虑到材料的非线性影响使其更能符合实际。

根据提供的纤维
和基体的材料性能参数，纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据例如铺设角，层厚等，就能得到复合材料复杂叶片结构的整体承载能力和叶片的破坏位置。

几何模型输入
不同的铺层方案叶片的位移
3.4风力发电机轮(桨)毂应力应变分析
轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件,承担抵抗风载、传递转矩
的作用,其结构和受力变形复杂，对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。

为此轮
毂要有足够的强度和刚度，以保证机组在各种荷载下能够正常的运行，而且还要保证机组在遭受一些恶劣的外部条件，如台风或者暴风袭击影响时的安全性。

由于轮毂结构的复杂，利用经典方法难以准确分析和评估轮毂应力分布，在设计中只能通过经验或者参考资料进行计算，应用有限元能够得到较准确的应力应变分布，以及最大的应力位置，并且能够很方便的对结构进行修改以及分析和优化。

印度Caliber Embedded 技术服务公司凭借丰富的经验为欧洲，美国客户提
供有限元分析服务，以下是该公司利用Abaqus进行的不同型号的风力发电机轮毂的应力，模态以及疲劳分析实例。

轮毂的模态以及受力分析
疲劳分析
3.5风机塔基础分析
风机属高耸结构，在风机基础设计中主要荷载包括：惯性力、空气动力荷载、运行荷载等其他荷载。

一般的，静力荷载比较明确，对结构、基础造成的影响也较容易确定，而风力机组叶轮旋转及风机控制运行过程中产生的动荷载对基础的影响则比较复杂。

由于风机塔筒较高，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩比较大，往往是风机基础设计的控制性荷载。

又由于风向的变化，风机基础所受到的弯矩作用方向也反复变化，使风机基底受到反复的拉压作用，有可能造成风机地基基础的承载力减损和位移累计。

风机价格昂贵，对于基础的水平位移和不均匀沉降控制也比较严格。

风力发电机组的这些特点，对风机基础设计提出了比较高的要求。

同时由于风机的安放位置处于地形较复杂的地区，地质条件较差，如何考虑风机基础和土壤的关系，以及基础环同基础的连接，均是涉及到风机能否稳定运行的关键因素。

3.5.1标准风机基础的验证分析
欧洲某风机生产商利用Abaqus进行标准风机基础应力分析，校核基础钢筋的设计。

利用其优秀的非线性性能考虑土对基础的作用，以及基础环同风机基础的连接作用，更加真实的反映了基础，基础环，风机，以及土壤之间的相互作用。

基础中的钢筋分布模型钢筋拉应力
考虑混凝土徐变之后的应力图形：
3.5.2海上风机基础设计与研发
海岸风力发电定将成为未来一种重要的能源，在未来十年，欧洲地区风力发电装机总量可以达到数千兆瓦特。

海岸风力发电设备地基基础在维持电力设备稳定性方面起到了重要的作用。

地基的设计和寻求经济性，技术性的优化结构方法被给予了很高的要求。

目前海上风机的基础设计形式有多种，其中德国联邦南萨克森州风力研究基金支持研发的一种是采用单桩和三角支架形式的基础。

采用Abaqus进行最初研发和初步设计，土壤失效采用摩尔库伦失效准则。

地基和周围土壤之间的属于接触问题，采用接触算法建模，并采用主从准则。

单桩地基由一个大直径的钢桩和一个由能够承载拉压载荷的三角支架组成，另外三个空心钢桩打入到海床中。

土壤采用桩体8节点连续单元(C3D6&C3D8) ，三角支架支柱采用3节点梁单元(B32)，
在桩体和土壤之间的接触部分采用接触单元。

海上风机基础描述
有限元模型及分析结果
3.6 风机塔以及焊接门的模拟
塔架设计是风力发电机组设计中不可缺少的一部分，其重要性随着风力发电机组的容量和高度的增加和而增加，塔架类型一般有钢制或者混凝土制的桁架式或者管状。

目前主流的是钢制管状式塔架，它在受到各种固定作用以及自身重量的同时还要受到各种风况下的风荷载作用，因此塔架必须有足够的刚度，强度和稳定性来承受这些力的作用。