SimSolid 在直驱风机主传动系设计中的应用

     摘 要:本文通过直驱风力发电机主传动系结构仿真的若干分析场景，介绍了 SimSolid 软件的功能及应用方法。应用表明，该软件的功能能够支撑传动系结构性能设计的仿真需求，且能最大程度的降低仿真前处理的工作量，大大提升仿真的效率，只需的操作和短时间的计算，就可以得到不同工况的结果，作为结构设计的决策依据 

    关键词:风力发电机 主传动系 SimSolid 仿真

    1概述 

    风力发电机机组是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。风力发电机的工作原理，是利用风力带动叶轮旋转，叶轮通过主传动系带动发电机转子转动，从而使发电机内的绕组切割磁感线，产生电能。所以，主传动系是风机的运转中枢，对风机的正常和高 效的运行至关重要。直驱型风力发电机主传动系由轮毂、动轴、定轴、底座、发电机、主轴 承构成，虽然没有齿轮箱，但是也存在复杂的装配关系，有多处螺栓连接，并且动轴与定轴之间需要考虑主轴承的传力特征。另一方面，主传动系的受载情况复杂，来自叶轮的气动载荷会导致轴向力、径向力、弯矩、扭矩，发电机本身也会引入温度载荷、磁拉力、扭矩、振动等载荷。兆瓦级的直驱发电机转速低，所以发电机直径一般做到将近 5 米，这样才能获得比较高的发电效率。这么大型的结构，发电机的气隙却是毫米级的，所以，发电机本身的变 形和动力学特性也是设计的重点和难点。

    目前，直驱发电机组传动系的设计，主要依靠有限元仿真作为其结构性能评估的重要手 段。基于有限元的结构仿真目前已经相当成熟，但是，在设计过程中的应用也存在一些难点。 例如，直驱发电机主传动系包含多个关键部件，且其中的铸造部件存在诸多细小特征，有很 多螺栓孔、图台、倒角、圆角等，划分网格之前必须进行几何简化；由于存在复杂的装配关系，需要建立多大上百对接触，且需要根据仿真需要，一一去设置各处的接触参数；连接关 系中关键结构的简化，包括连接螺栓、轴承、焊缝等等。另外，在有限元模型中，由于单个 部件的自由度数多达上百万，装配状态下的传动系模型规模很大，计算量大，周期长，由于 市场竞争激烈，往往需要在短期内完成整机的设计迭代，完全基于传统的有限元方法越来越 不能满足这种需求。

    目前，传统有限元软件的开发商往往只是致力于提升界面交互的便利性和易用性，而 SimSolid 则是通过采用更先进的核心有限元算法，将无网格化理念引入结构仿真，从而对 结构仿真带来了颠覆性的实施便利性和计算效率的提升。本文是对 SimSolid 应用于直驱式 风力发电机的主传动系结构仿真的可能性进行初步探究。

    2 模型的建立

    将主传动系的三维几何模型直接导入 SimSolid，共有 400 个零件，如下图所示。

                                                                            图 1 主传动系三维图 

    2.1 建立接触关系 

    由于 SimSolid 基于无网格的仿真计算基数，所以无需对上述模型进行几何清理和网格 划分。导入模型以后，可以直接建立各零部件之间的接触关系，即 Connection。SimSolid 有 Connection 的自动创建功能，用户只要给定合理的容差范围，接触或连接关系可以创建 出来。 

    SimSolid 的上述特点，大大减少了仿真工程师的前处理工作量。因此，相对于传统的 有限元软件，SimSolid 使得仿真的便利性有很大提升。模型所有 Connection 创建完成后的效果如下图所示。共有 1652 个 Connection。

                                                                           图 2 Connection 关系图

    2.2 材料与属性 

    计算中所使用的材料参数如下：

     合金钢的材料参数： 弹性模量：2 0 6 G P a ;材料密度：7.9 e +3kg/m3 ;泊松比：0.3 ;热膨胀系数：1.2E-5/K ;长度单位为：m m ;球墨铸铁的材料参数： 弹性模量：1 7 0 G P a ;材料密度：7.1 e +3kg/m3 ;泊松比：0.3 ;热膨胀系数：1.2E-5/K ;长度单位为：m m

    3 主传动系的结构仿真分析 

    本章依次对主传动系进行了模态分析、静载分析、热分析和热变形分析。

    3.1 模态分析 

    约束底座的固定法兰面，如下图，提取系统的前 6 阶固有模态。各阶模态频率如表 1 所列(频率值做了归一化处理)，各阶模态振型如图3-9所示。

                                                                           图 3 主传动系仿真约束图

                                                                           图 4 一阶振型图

                                                                           图 5 二阶振型图

                                                                           图 6 三阶振型图

                                                                           图 7 四阶振型图

                                                                           图 8 五阶振型图

                                                                           图 9 六阶振型图

    3.2 静力分析 

    约束方式同 3.1，在轮毂中心施加叶轮的极限弯矩，计算结构的整体变形和应力分布。

                                                                           图 10 弯矩工况加载示意图

                                                                           图 11 弯矩工况变形云图

                                                                           图 12 弯矩工况应力云图

    3.3 热分析 

    发电机满发的时候，由于绕组发热，定子会出现较高的温升，外部的转子受到辐射，也 会有一定温升。本工况通过进行热仿真分析，来获得发电机的温度场分布。温度场结果如下 图所示。

                                                                           图 13 热分析温度云图 

    3.4 热变形分析 在上一节的温度场分布下，发电机结构会发生热变形。本节将上一节获得的温度场载荷 施加在传动系结构上，来分析整个结构的热变形分布。

                                                                           图 14 温度场工况变形云图

                                                                           图 15 温度场工况应力云图

    4 分析与结论 

    基于上述各工况的分析，可以看到 SimSolid 软件可以应用于直驱风机主传动系的结构 设计流程用，该软件能够减少仿真前处理 70%的工作量，且应用较少的计算资源在短时间 内就可以获得仿真结果，在求解复杂装配体的时候，应用效果尤其明显，能够起到和传统有 限元软件互补的作用，预期对提升产品开发的效率和快速决策有很大的帮助。

    5 参考文献 

    [1] SIMSOLID-Fast Start Training Gurde

 

 

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