以仿真技術(shù)確保風(fēng)機葉片等零組件的安全性

隨著對風(fēng)能需求的增加，當(dāng)工程師努力進行風(fēng)力渦輪機等技術(shù)改進時，他們還必須通過驗證其結(jié)構(gòu)完整性和抗疲勞性，進而確保改進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。隨著全球?qū)諝赓|(zhì)量和氣候變化的擔(dān)憂持續(xù)上升，人們進一步增加了對這種無碳排放自然資源的興趣。

隨著對風(fēng)能需求的增加，推進技術(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(dāng)工程師努力進行這些改進時，他們還必須通過驗證其結(jié)構(gòu)完整性和抗疲勞性來確保零組件（如改進的葉片）的安全性。

德國系統(tǒng)設(shè)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來優(yōu)化其風(fēng)力渦輪機葉片的疲勞評估。

PyAnsys是一套開源軟件，讓用戶可以透過程序設(shè)計界面在Python生態(tài)系中同時與多個Ansys求解器進行互動。這意味著可以在Python程序中建立專門的解決方案，同時整合Ansys的結(jié)構(gòu)、電磁和復(fù)合材料仿真求解器以及其他計算機輔助工程（computer-aided engineering；CAE）應(yīng)用程序和工具。

Bewind工程團隊使用PyAnsys建立定制的自動化工作流程，以便對其風(fēng)力渦輪機葉片進行更有效，更準(zhǔn)確的疲勞評估。這種量身訂作的自動化功能可利用Ansys求解器的預(yù)測精度，來驗證葉片的結(jié)構(gòu)合理性和運作效率，從而顯著節(jié)省時間和成本。

減輕空氣動力學(xué)負(fù)載
高壓空氣動力學(xué)負(fù)載應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機，以足夠的力驅(qū)動轉(zhuǎn)子葉片以產(chǎn)生機械動力并最終產(chǎn)生電力。當(dāng)然，這會在運轉(zhuǎn)過程中引起振動。這種振動加上數(shù)個施加的負(fù)載或應(yīng)力，可能會導(dǎo)致一系列問題，包括裂紋擴展、脫層和疲勞現(xiàn)象。

通常，轉(zhuǎn)子葉片在設(shè)計時會考慮到潛在疲勞，但疲勞負(fù)載仍然是導(dǎo)致葉片損壞的最大因素之一。葉片復(fù)合層的脫層是導(dǎo)致葉片破壞的最常見原因。

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

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

但是，由于負(fù)載的振幅隨時間波動，因此需要更多的計算資源來模擬其對材料的損壞。力、扭矩、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)的負(fù)載-時間歷史可用于計算疲勞壽命。其他方法可用于匯聚不規(guī)則和擴展的負(fù)載歷史記錄，例如雨流計數(shù)算法。該方法通常用于分析和計算各種振幅的負(fù)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(shù)。Miner法則假設(shè)在任何設(shè)定應(yīng)力水平下，每個應(yīng)力循環(huán)造成的損害是相等的，這意味著第一個應(yīng)力循環(huán)與最后一個應(yīng)力循環(huán)一樣具有破壞性。

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

Bewind的工程師通過將PyAnsys與開源、實時（JIT）編譯程序和并行化架構(gòu)結(jié)合使用來減少計算量。這些硬件解決方案與Ansys仿真和Python中的其他模型相結(jié)合，可加速和自動化計算。Python與高級程序設(shè)計語言和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間內(nèi)開發(fā)最先進的工作流程，進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個線程的HP Z4計算機上，根據(jù)應(yīng)力時間歷史在短短兩天內(nèi)便可以完成整個轉(zhuǎn)子葉片所有復(fù)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間，而且還只能考慮元素的頂部和底部應(yīng)變。

此外，使用PyAnsys可以操控仿真任務(wù)，在更短的時間內(nèi)探索更多的可能性。例如Bewind工程師實施了不變扇區(qū)法，該方法進一步加快了復(fù)合材料的疲勞評估。這種創(chuàng)新方法依賴于精確選擇區(qū)域（或扇區(qū)）進行評估，提供與其他方法相同的準(zhǔn)確性水平，并且計算量大大減少。

幸運的是，復(fù)合材料表現(xiàn)出有利的疲勞行為，因此即使稍微減少暴露于疲勞應(yīng)力也可以增加疲勞壽命。這種延長的生命周期透過在更長的時間跨度內(nèi)平衡能源成本來降低成本。然而，與透過改進疲勞評估來確保葉片可靠性的長期成本效益相比，這些節(jié)省是微不足道的。

像PyAnsys一樣簡單
透過將Ansys產(chǎn)品內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)后處理任務(wù)和復(fù)合材料的疲勞后處理。這種定制的工作流程是透過將PyAnsys系列中的軟件套件、Python腳本功能以及復(fù)合預(yù)處理（Ansys Composite PrepPost；ACP）的自定義功能相結(jié)合來實現(xiàn)的。這種精心設(shè)計的方法不僅加快了Bewind的評估時間，還擴展了建模的可能性。

PyAnsys目前包括與多物理場模擬和方程求解器Ansys Mechanical APDL（MAPDL）接口的軟件套件。Ansys數(shù)據(jù)處理架構(gòu)（Ansys DPF），一個可擴展的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；以及Ansys Electronics Desktop（AEDT），其中包括多種電子仿真產(chǎn)品，用于建立設(shè)計、虛擬驗證設(shè)計性能，并在大規(guī)模系統(tǒng)級仿真中實現(xiàn)這些設(shè)計。

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


 
圖二 : Bewind將PyAnsys整合兩個模板負(fù)載，以使用轉(zhuǎn)子葉片模型的二進制結(jié)果文件，計算每個復(fù)合層不同應(yīng)力水平下的負(fù)載傳遞函數(shù)。（source：Bewind）

除了定制之外，Bewind團隊還對層壓復(fù)合材料進行進階分析，包括成功的高周期應(yīng)力壽命評估，這是標(biāo)準(zhǔn)后處理軟件目前無法提供的后處理評估。

Bewind工程師現(xiàn)在可以透過Ansys工作臺之外的獨立原生CPython架構(gòu)，輕松瀏覽和使用Ansys軟件。該團隊可以從其內(nèi)部生態(tài)系中選擇Ansys軟件作為常規(guī)Python軟件套件，并將其與Python中數(shù)千個其他可用的開源軟件套件相結(jié)合。PyAnsys用的是當(dāng)今軟件開發(fā)人員和用戶的語言，提高了其可用性。CPython是用Python和C編寫的Python語言中使用最廣泛的實現(xiàn)，它將Python的使用者性質(zhì)和易用性與C的過程程序設(shè)計風(fēng)格融為一體。

如何節(jié)省時間
從觸手可及的多個Ansys工具，到只需點擊一下即可在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(shè)計工作量開發(fā)更清晰、更緊湊的工作流程。不必要的讀寫程序也最小化，包括將輸入和輸出文件輸入到硬盤上。

如圖二中的工作流程圖所示，Bewind能夠?qū)yAnys與兩個模板負(fù)載整合，以使用轉(zhuǎn)子葉片模型仿真的結(jié)果檔案計算每個復(fù)合層應(yīng)力水平的負(fù)載傳遞函數(shù)。

在評估風(fēng)力渦輪機疲勞時，需要考慮兩種類型的負(fù)載：

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

通常，襟翼方向是發(fā)生大多數(shù)負(fù)載的地方。盡管如此，這兩種類型的負(fù)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(yīng)力。此外，兩種類型的負(fù)載都具有較大的振幅和平均值變化，這意味著有更多的負(fù)載波動導(dǎo)致疲勞。

如圖二所示，將負(fù)載傳遞函數(shù)應(yīng)用于負(fù)載時間序列，以評估模型中的應(yīng)力時間序列。在Bewind，任何模型中使用的每個負(fù)載時間序列評估，都是對整個風(fēng)力渦輪機進行數(shù)百次多體模擬的詳細(xì)結(jié)果。

接下來，透過設(shè)計評估期間考慮的雨流計數(shù)算法識別每個疲勞情景。在此步驟之后，該團隊使用不同外加負(fù)載振幅水平和平均負(fù)載水平的S-N曲線（或應(yīng)力-壽命曲線）來演示古德曼曲線（Goodman diagram）模型中的平均應(yīng)力效應(yīng)。這有助于說明所評估的復(fù)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，透過使用者定義的繪圖來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，需要考慮兩種類型的負(fù)載：空氣動力學(xué)負(fù)載及慣性負(fù)載。（source：Ansys）

以PyAnsys減輕負(fù)擔(dān)
除了功能客制化，在Python環(huán)境中工作的最大好處之一，在于可以造訪強大、豐富的Python數(shù)據(jù)庫。并可以調(diào)用由高效而強大的數(shù)據(jù)分析算法支持的PyAnsys特定子例程，以協(xié)助進行復(fù)雜的研究。
與Bewind一樣，全球的工程團隊可以使用PyAnsys來自定義其工作流程，加速計算、自動化任務(wù)和設(shè)計流程，為應(yīng)用提供動力、燃料創(chuàng)新等。憑借富有創(chuàng)造力的Python小區(qū)、一種鼓勵重用的易于使用的程序設(shè)計語言，以及Ansys先進的模擬解決方案，PyAnsys提供了幾乎無窮無盡的創(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）