以仿真技術(shù)確保風(fēng)機葉片等零組件的安全性

隨著(zhù)對風(fēng)能需求的增加，當工程師努力進(jìn)行風(fēng)力渦輪機等技術(shù)改進(jìn)時(shí)，他們還必須通過(guò)驗證其結構完整性和抗疲勞性，進(jìn)而確保改進(jìn)的葉片等零組件的安全性。

風(fēng)能是世界上最有前途的可再生能源之一。隨著(zhù)全球對空氣質(zhì)量和氣候變化的擔憂(yōu)持續上升，人們進(jìn)一步增加了對這種無(wú)碳排放自然資源的興趣。

隨著(zhù)對風(fēng)能需求的增加，推進(jìn)技術(shù)以生產(chǎn)更大、更安靜及更便宜的風(fēng)力渦輪機的需求也在增加。當工程師努力進(jìn)行這些改進(jìn)時(shí)，他們還必須通過(guò)驗證其結構完整性和抗疲勞性來(lái)確保零組件（如改進(jìn)的葉片）的安全性。

德國系統設計和工程公司Bewind GmbH的28名工程師擁有400多年的風(fēng)能行業(yè)經(jīng)驗，他們使用PyAnsys來(lái)優(yōu)化其風(fēng)力渦輪機葉片的疲勞評估。

PyAnsys是一套開(kāi)源軟件，讓用戶(hù)可以透過(guò)程序設計界面在Python生態(tài)系中同時(shí)與多個(gè)Ansys求解器進(jìn)行互動(dòng)。這意味著(zhù)可以在Python程序中建立專(zhuān)門(mén)的解決方案，同時(shí)整合Ansys的結構、電磁和復合材料仿真求解器以及其他計算機輔助工程（computer-aided engineering；CAE）應用程序和工具。

Bewind工程團隊使用PyAnsys建立定制的自動(dòng)化工作流程，以便對其風(fēng)力渦輪機葉片進(jìn)行更有效，更準確的疲勞評估。這種量身訂作的自動(dòng)化功能可利用Ansys求解器的預測精度，來(lái)驗證葉片的結構合理性和運作效率，從而顯著(zhù)節省時(shí)間和成本。

減輕空氣動(dòng)力學(xué)負載
高壓空氣動(dòng)力學(xué)負載應用于風(fēng)力渦輪機，以足夠的力驅動(dòng)轉子葉片以產(chǎn)生機械動(dòng)力并最終產(chǎn)生電力。當然，這會(huì )在運轉過(guò)程中引起振動(dòng)。這種振動(dòng)加上數個(gè)施加的負載或應力，可能會(huì )導致一系列問(wèn)題，包括裂紋擴展、脫層和疲勞現象。

通常，轉子葉片在設計時(shí)會(huì )考慮到潛在疲勞，但疲勞負載仍然是導致葉片損壞的最大因素之一。葉片復合層的脫層是導致葉片破壞的最常見(jiàn)原因。

 
圖一 : 渦輪葉片的機械模型（頂部）和繪圖可視化。（source：Ansys）

裂紋會(huì )在循環(huán)負載的影響下生成并成長(cháng)。即使施加的負載小于材料的抗拉強度，負載的重復循環(huán)性質(zhì)也會(huì )導致斷裂和破壞。疲勞負載分為兩類(lèi)：恒定振幅和可變振幅。在實(shí)際場(chǎng)景中，可變幅度循環(huán)負載更為常見(jiàn)。

但是，由于負載的振幅隨時(shí)間波動(dòng)，因此需要更多的計算資源來(lái)模擬其對材料的損壞。力、扭矩、應力和應變等參數的負載-時(shí)間歷史可用于計算疲勞壽命。其他方法可用于匯聚不規則和擴展的負載歷史記錄，例如雨流計數算法。該方法通常用于分析和計算各種振幅的負載循環(huán)，然后使用Miner法則（疲勞失效最廣泛使用的累積損傷模型之一）提取損傷參數。Miner法則假設在任何設定應力水平下，每個(gè)應力循環(huán)造成的損害是相等的，這意味著(zhù)第一個(gè)應力循環(huán)與最后一個(gè)應力循環(huán)一樣具有破壞性。

但不出所料的，這種算法對于整個(gè)轉子葉片的計算工作既耗時(shí)又昂貴。

Bewind的工程師通過(guò)將PyAnsys與開(kāi)源、實(shí)時(shí)（JIT）編譯程序和并行化架構結合使用來(lái)減少計算量。這些硬件解決方案與Ansys仿真和Python中的其他模型相結合，可加速和自動(dòng)化計算。Python與高級程序設計語(yǔ)言和JIT編譯程序的組合可以生成快速的機器程序代碼。這使得Bewind工程師能夠在更短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的工作流程，進(jìn)而從他們的工作站中獲得最大的性能。如今，他們可以在具有12個(gè)線(xiàn)程的HP Z4計算機上，根據應力時(shí)間歷史在短短兩天內便可以完成整個(gè)轉子葉片所有復合層的分析工作。相較之下，之前的工作流程大約需要耗費一周時(shí)間，而且還只能考慮元素的頂部和底部應變。

此外，使用PyAnsys可以操控仿真任務(wù)，在更短的時(shí)間內探索更多的可能性。例如Bewind工程師實(shí)施了不變扇區法，該方法進(jìn)一步加快了復合材料的疲勞評估。這種創(chuàng )新方法依賴(lài)于精確選擇區域（或扇區）進(jìn)行評估，提供與其他方法相同的準確性水平，并且計算量大大減少。

幸運的是，復合材料表現出有利的疲勞行為，因此即使稍微減少暴露于疲勞應力也可以增加疲勞壽命。這種延長(cháng)的生命周期透過(guò)在更長(cháng)的時(shí)間跨度內平衡能源成本來(lái)降低成本。然而，與透過(guò)改進(jìn)疲勞評估來(lái)確保葉片可靠性的長(cháng)期成本效益相比，這些節省是微不足道的。

像PyAnsys一樣簡(jiǎn)單
透過(guò)將Ansys產(chǎn)品內建到Python環(huán)境中，Bewind工程師可以自定義疲勞評估工作流程，以包括標準后處理任務(wù)和復合材料的疲勞后處理。這種定制的工作流程是透過(guò)將PyAnsys系列中的軟件套件、Python腳本功能以及復合預處理（Ansys Composite PrepPost；ACP）的自定義功能相結合來(lái)實(shí)現的。這種精心設計的方法不僅加快了Bewind的評估時(shí)間，還擴展了建模的可能性。

PyAnsys目前包括與多物理場(chǎng)模擬和方程求解器Ansys Mechanical APDL（MAPDL）接口的軟件套件。Ansys數據處理架構（Ansys DPF），一個(gè)可擴展的數據處理系統；以及Ansys Electronics Desktop（AEDT），其中包括多種電子仿真產(chǎn)品，用于建立設計、虛擬驗證設計性能，并在大規模系統級仿真中實(shí)現這些設計。

PyAnsys為Ansys DPF中的后處理提供了兩個(gè)選項：PyDPF-Post，用于在 Ansys二進(jìn)制結果文件中繪制數據，以及 PyDPF-Core，允許操作結果文件并建立新數據。此外，PyDPF-Core允許鏈接或整合運算符合功能以實(shí)現更無(wú)縫的處理流程，從而簡(jiǎn)化和簡(jiǎn)化腳本編寫(xiě)。使用PyMAPDL可以建立幾何和網(wǎng)格，以及設置模型。透過(guò)PyAEDT，可以簡(jiǎn)化AEDT的腳本編寫(xiě)，從而幫助進(jìn)行電子和電磁仿真處理。


 
圖二 : Bewind將PyAnsys整合兩個(gè)模板負載，以使用轉子葉片模型的二進(jìn)制結果文件，計算每個(gè)復合層不同應力水平下的負載傳遞函數。（source：Bewind）

除了定制之外，Bewind團隊還對層壓復合材料進(jìn)行進(jìn)階分析，包括成功的高周期應力壽命評估，這是標準后處理軟件目前無(wú)法提供的后處理評估。

Bewind工程師現在可以透過(guò)Ansys工作臺之外的獨立原生CPython架構，輕松瀏覽和使用Ansys軟件。該團隊可以從其內部生態(tài)系中選擇Ansys軟件作為常規Python軟件套件，并將其與Python中數千個(gè)其他可用的開(kāi)源軟件套件相結合。PyAnsys用的是當今軟件開(kāi)發(fā)人員和用戶(hù)的語(yǔ)言，提高了其可用性。CPython是用Python和C編寫(xiě)的Python語(yǔ)言中使用最廣泛的實(shí)現，它將Python的使用者性質(zhì)和易用性與C的過(guò)程程序設計風(fēng)格融為一體。

如何節省時(shí)間
從觸手可及的多個(gè)Ansys工具，到只需點(diǎn)擊一下即可在Python中輕松管理的接口，PyAnsys讓Bewind工程團隊能夠以更少的程序設計工作量開(kāi)發(fā)更清晰、更緊湊的工作流程。不必要的讀寫(xiě)程序也最小化，包括將輸入和輸出文件輸入到硬盤(pán)上。

如圖二中的工作流程圖所示，Bewind能夠將PyAnys與兩個(gè)模板負載整合，以使用轉子葉片模型仿真的結果檔案計算每個(gè)復合層應力水平的負載傳遞函數。

在評估風(fēng)力渦輪機疲勞時(shí)，需要考慮兩種類(lèi)型的負載：

1.空氣動(dòng)力學(xué)負載：例如襟翼或推力方向的剪切力，阻力和升力；
2.慣性負載：例如重力或葉片動(dòng)力學(xué)，或拖曳方向。

通常，襟翼方向是發(fā)生大多數負載的地方。盡管如此，這兩種類(lèi)型的負載都是疲勞的主要原因，因為它們發(fā)生在周期性的正交彎曲方向上，產(chǎn)生垂直相交，從而增加葉片的應力。此外，兩種類(lèi)型的負載都具有較大的振幅和平均值變化，這意味著(zhù)有更多的負載波動(dòng)導致疲勞。

如圖二所示，將負載傳遞函數應用于負載時(shí)間序列，以評估模型中的應力時(shí)間序列。在Bewind，任何模型中使用的每個(gè)負載時(shí)間序列評估，都是對整個(gè)風(fēng)力渦輪機進(jìn)行數百次多體模擬的詳細結果。

接下來(lái)，透過(guò)設計評估期間考慮的雨流計數算法識別每個(gè)疲勞情景。在此步驟之后，該團隊使用不同外加負載振幅水平和平均負載水平的S-N曲線(xiàn)（或應力-壽命曲線(xiàn)）來(lái)演示古德曼曲線(xiàn)（Goodman diagram）模型中的平均應力效應。這有助于說(shuō)明所評估的復合材料，并使團隊能夠確定每種疲勞情況下的損傷量。

最后一步，工程師可以與ACP合作，透過(guò)使用者定義的繪圖來(lái)檢查和可視化層壓板中的整體損壞情況。

 
圖三 : 風(fēng)力渦輪機情境圖（source：Ansys）


 
圖四 : 在評估風(fēng)力渦輪機疲勞時(shí)，需要考慮兩種類(lèi)型的負載：空氣動(dòng)力學(xué)負載及慣性負載。（source：Ansys）

以PyAnsys減輕負擔
除了功能客制化，在Python環(huán)境中工作的最大好處之一，在于可以造訪(fǎng)強大、豐富的Python數據庫。并可以調用由高效而強大的數據分析算法支持的PyAnsys特定子例程，以協(xié)助進(jìn)行復雜的研究。
與Bewind一樣，全球的工程團隊可以使用PyAnsys來(lái)自定義其工作流程，加速計算、自動(dòng)化任務(wù)和設計流程，為應用提供動(dòng)力、燃料創(chuàng )新等。憑借富有創(chuàng )造力的Python小區、一種鼓勵重用的易于使用的程序設計語(yǔ)言，以及Ansys先進(jìn)的模擬解決方案，PyAnsys提供了幾乎無(wú)窮無(wú)盡的創(chuàng )意和計算可能性。
（本文作者Daniel Kowollik為Bewind公司總工程師、Fabio Pavia為Ansys資深產(chǎn)品經(jīng)理）