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基于VB和ANSYS的风机塔筒参数化建模与分析张彦立王广庆李曼保定天威风电科技有限公司河北保定071051摘要为了高效、快速地建立风机塔筒的有限元模型并对其进行有限元分析对系列机型塔筒模型的结构进行了全面的研究采用ANSYS提供的APDL语言和命令流编程的方法开发了一种风机塔筒的有限元参数化建模、分析及后处理程序用可视化界面语言VB对其进行了封装。

    以塔筒模型分析为实例跟传统方法作对比对该程序进行了验证。

    研究结果表明该程序能够提高有限元模型的建模效率缩短了塔筒的设计周期并且简单实用为类似问题的解决提供了一条新途径。

    关键词参数化建模风机塔筒有限元APDL中图分类号TH123TM614文献标志码A文章编号1001-4551201202-0174-03ParametricmodelingandanalysisofwindturbinetowerbasedonVBandANSYSZHANGYan-liWANGGuang-qingLIManBaodingTianweiWindPowerTechnologyCo.Ltd.Baoding071051ChinaAbstractInordertoimprovetheefficiencyofestablishedwindturbinetowerfiniteelementmodelanditsfiniteelementanalysistheparametricprogramminglanguageandAPDLinANSYSwereinvestigated.Afteracomprehensivestudyforthestructureofseriestowerthewindturbineprogramofparametricmodelinganalysisandpostprocessingwasestablished.VisualinterfaceVBlanguagewaspresentedtopackagingthisprogram.Thewindturbineprogramwasevaluatedonthetowermodelanalysistheprogramwastested.Theexperimentalresultsshowthattheprogramhasimprovedtheefficiencytoestablishfiniteelementmodelofwindturbinetowerandshortenthedesigncycleofwindturbinetower.Itissimplepracticalandprovidesanewwaytosolvethesimilarissues.KeywordsparametricmodelingwindturbinetowerfiniteelementANSYSparametricdesignlanguageAPDL收稿日期2011-08-25基金项目国家科技支撑计划资助项目2007BAA10B01作者简介张彦立1981-男河北保定人主要从事风电机组塔筒的设计和优化方面的研究.E-mailzhangyanli_168126.com0引言在风力发电机组塔筒的设计分析中经常会遇到系列机型塔筒的设计这些机型塔筒模型结构类似只是某些几何参数不一样但每次计算分析都需要经过建立实体模型、划分有限元网格、约束、加载求解这些步骤即使对软件应用熟练的技术人员完成这些步骤也至少也需要12天的时间。

    由于风机塔筒是较为复杂的三维模型目前普遍的建模方法都是先使用专业的CAD软件绘出塔筒实体模型然后再导入ANSYS中进行分析这样做的缺点是操作麻烦而且容易出错。

    本研究借助ANSYS自身的参数化语言APDL将参数化的思想Parametric引进到有限元的分析过程中咱1-2暂采用APDL编程的方法直接在ANSYS中快速而准确地建立风机塔筒的有限元模型并进行分析和后处理大大减少有限元分析的工作量缩短计算周期。

    该方法用VB界面语言对复杂难懂的程序做了封第29卷第2期2012年2月Vol.29No.2Feb.2012机电工程JournalofMechanicalElectricalEngineeringA-PDF Split DEMO : Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermark装即使从未认真学习过ANSYS软件的工程设计人员也能很好地借助该程序进行塔筒结构有限元分析具有重要的研究意义。

    1参数化模型的实现ANSYS具有参数设计语言ANSYSParametricDesignLanguage咱3-4暂可用程序编辑有限元分析过程从而省去了繁琐的窗口操作。

    ANSYS参数设计语言采用高级FORTRAN程序语法的方式进行如参数的定义、数学的表达式、逻辑语法、条件区块、循环等。

    利用APDL程序语言和ANSYS命令可以实现参数化建模、施加参数化载荷、求解以及后处理结果显示等有限元分析全过程。

    对于用APDL语言和ANSYS命令流编写的有限元计算程序用户只需输入相应的几何、网格、载荷等参数系统就能自动调用ANSYS计算程序自动进行网格划分、载荷施加以及自动求解。

    该系统利用友好、方便、易用的人机交互界面VB6.0对复杂的、难于理解和掌握的ANSYS命令流进行了后台封装。

    1.1程序系统结构程序设计的第一步是通过ANSYS建立分析模型的参数化APDL代码然后在VB中根据模型的参数化APDL代码进行编程利用VB6.0对ANSYS参数化建模程序进行封装的系统结构图如图1所示。

    用户输入计算参数即可调用后台的ANSYS软件进行计算分析及后处理ANSYS把计算结果返回给用户。

    1.2程序系统功能1允许用户可以根据实际计算工况输入特定的计算参数包括壁厚、高度、载荷等。

    2用户在输入各种参数后进行计算之前可以对输入的数据进行修改、删除操作以保证输入正确的参数。

    3用户通过界面调用后台的ANSYS软件进行计算能够得到最后的计算结果文件供用户进行后处理和结果分析。

    1.3程序的主要子程序和设计程序的组成主要有咱5-8暂用户界面程序、VB调用接口程序及VB后处理程序。

    1用户界面程序。

    用户界面程序主要完成系统和用户的交互。

    用户界面模块包括计算参数输入和编写APDL的前、后处理命令流两部分。

    当所有的参数输入完毕用户点击想要实现的计算按钮系统将以文档格式自动生成APDL计算命令流并存在指定的目录下。

    2VB调用接口程序。

    VB调用接口程序在该系统中起着接受用户界面的输入、创建进程调用ANSYS模块、将生成的APDL命令文件提交给ANSYS程序进行计算处理的重要作用用户再次点击想要实现的计算按钮即可执行相应的计算。

    3VB后处理程序。

    VB后处理程序主要用于提取计算结果数据对于屈曲特征值计算可以直接读取ANSYS的计算结果对于极限强度分析可以直接读取计算模型的最大等效应力对于疲劳分析根据线性累计损伤理论结合输入的载荷时间序列和定义的S-N曲线给出模型的最大疲劳损伤。

    通过以上思路和步骤笔者成功地开发出基于VB和ANSYS风机塔筒有限元分析程序。

    该程序交互界面如图2所示。

    2实例分析以1.5MW某风机塔筒为例咱9-10暂本研究输入设计需要的几何、网格和载荷数据进行塔筒屈曲特征值图1程序结构框图图2程序交互界面表1有限元分析极限载荷载荷描述载荷Mx-1674.3kNmMy-43744kNmMz-569.7kNmFx-839.9kNFy-1.29kNFz-2130kN第2期张彦立等基于VB和ANSYS的风机塔筒参数化建模与分析175窑窑和极限强度的计算分析因为这两种分析所用到的载荷都是极限载荷即载荷数据是一样的有限元分析极限载荷如表1所示。

    计算结果分析如下2.1塔筒屈曲特征值的计算屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷屈曲分析包括线性屈曲和非线性屈曲分析。

    线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析。

    通过ANSYS帮助文件可以查得有关特征值的计算公式K姿iS鬃i0式中K—刚度矩阵S—应力刚度矩阵鬃i—第i阶位移特征矢量姿i—第i阶特征值也叫作比例因子或载荷因子。

    特征值表示给定载荷的比例因子如果给定载荷是单位载荷特征值即是屈曲载荷。

    特征矢量是屈曲模态一般来说只对第一个特征值和特征矢量感兴趣。

    本例首先以传统CAD方法建立塔筒模型将需要计算的塔筒导入至ANSYS软件进行计算得到塔筒模型计算的结果然后与用程序建立的塔筒模型计算的结果作比较最后得出比较结果。

    具体操作描述用程序建立的塔筒几何模型和网格大小跟传统CAD方法的模型保持一致再施加同样的载荷计算得出塔筒的屈曲特征值和屈曲模态再把结果进行对比110阶的屈曲特征值对比如表2所示一阶模态对比如图3所示。

    由表2的对比结果可以看出程序所得结果与传统方法所得结果非常接近最大变化比值为3.10由图3可以看出两种方法下塔筒屈曲一阶模态变形一致。

    通过两种方法计算结果的对比证明参数化塔筒建模分析程序是完全可行的。

    2.2极限强度计算本研究对塔筒门进行极限强度分析应力最大的位置出现在门框和塔筒壁焊接的拐角处由于拐角处应力不准确本研究不考虑拐角处的应力。

    通过建模过程中建立的组件去掉拐角处的计算结果后处理程序返回最大应力值为273MPa最大应力出现在门框中上部和中下部位置门框应力云图如图4所示。

    3结束语本研究基于VB和ANSYS开发了风机塔筒参数化有限元分析程序并通过分析实例验证了此种方法的可行性该程序主要具有以下优点1直接在ANSYS中建立几何模型实现与分析工程的无缝集成APDL参数化的建模方式大大缩短了建模时间提高了工作效率且建模过程准确不易出错。

    2用可视化的界面语言VB对程序进行了封装友好的人机交互界面可实现计算参数的快速输入及结果的输出即使对英文不熟悉或对ANSYS操作不熟练的用户也可以使用该程序实现风机塔筒的有限元分析。

    下转第191页表2屈曲特征值计算结果对比阶次传统方法参数化方法对比结果18.70138.97123.1029.978710.2542.76310.77211.0622.69411.12111.3912.43511.98512.2632.32612.12512.4872.99712.41912.6641.97812.51812.8172.39912.66312.9352.151012.81113.0471.84a传统方法一阶模态b参数化方法一阶模态图3屈曲模态对比图4门框应力云图机电工程第29卷176窑窑实验证明PLC与DSP通讯良好能实现互发数据协调整个系统高效、安全地工作。

    5结束语本研究采用PLC作为风力发电机组控制系统的主结果控制器可以用简单的程序完成复杂的逻辑控制实验结果表明PLC逻辑控制系统效果良好性能稳定。

    由于采用了A-B公司的PLC所开发的上位机监控系统和以太网通讯系统具有独特性。

    控制技术的研究对增强我国大型风力发电机组的自主研发能力、提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。

    参考文献References1张明锋邓凯陈波等.中国风电产业现状与发展J.机电工程20102711-3.2FANGChuang-lin.PracticalproblemsandcopingstrategiesofwindpowerindustryinChinaJ.WorldNon-Grid-Con原nectedWindPowerandEnergyConference20091221-5.3刘细平林鹤云.风力发电机及风力发电控制技术综述J.大电机技术200712317-20.4张庆利尤波胡海燕等.兆瓦级变速恒频风电机组控制系统的研究与开发J.机械工程师200710387-89.5盛双文.大型风力发电机组中央控制系统的研制D.北京中国科学院20006CHENGui-youZHOULiSUNTong-jingetal.DesignofwindturbinegeneratorcontrolsystemJ.PowerElectronicsandMotionControlConference2006351-4.7魏仲晁勤马成兴等.PLC控制器在风电机组中的应用J.信息技术200921197-101.8叶杭冶.风力发电机组的控制技术M.2版.北京机械工业出版社20029CHANGYRCHANCMCHANGCJ.Thedesignofcon-trolsystemandpowerconditioningsystemfora25kWac-tive-controlbasedwindturbinesystemJ.PowerElectron原icsandDriveSystems20091211272-1276.10白永祥房大中侯佑华等.调度中心大规模风电场实时在线监控系统J.电力自动化设备201030116-8.编辑李辉图6PLC与DSP互发数据aPLC接收数据bDSP接收数据上接第176页参考文献References1曾文源.舰船结构有限元参数化建模与优化研究D.哈尔滨哈尔滨工程大学船舶工程学院2005.2MAGGIYIGONCALVESRMLEONRTetal.Parametricanalysisofsteelboltedendplateconnectionsusingfiniteele-mentmodelingJ.JournalofConstructionalSteelRe原search2005615689-708.3陈精一.ANSYS工程分析实例教程M.北京中国铁道出版社20074龚曙光谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程M.北京机械工业出版社20045艾德才.VisualBasic程序设计实用教程M.北京中国水利水电出版社20056彭公孚席长友.基于VB控件开发的ANSYS程序调用方法J.武汉理工大学学报2004281148-150.7高荣慧张岩罗辉.基于VB和ANSYS的塔式起重机臂架参数化设计J.机械工程与自动化2008146112-13.8陆旭周见行姜伟.基于APDL的塔式起重机有限元参数化建模与分析J.机电工程200926734-36.9GermanischerLloyd.RulesandregulationsIV-industrialservicespart1-guidelineforcertificationofwindturbinesS.HamburgGermanischerLloyd2010.10DeutscheNorm.StructuralsteelworkanalysisofsafetyagainstbucklingofshellsDIN18800part4S.BerlinGermanIn-stituteforStandardization1990.编辑李辉第2期金利祥等基于PLC的风力发电机组控制系统研究191窑窑