即将直播：Simpack风电动力学解决方案和应用（9月3日）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：2006年可再生能源法实施以来，可再生能源发生了天翻地覆的变化，风电在能源机构中已经从微不足道成长为担当重任的主角。从2020年开始，中国的能源发展正在进入一个全新的场景，自中国宣布碳达峰、碳中和计划以来，风电行业迎来爆发式增长。

当前我国风电新增装机量位列全球首位，“十四五”也将使整个产业迎来更大的发展机遇，但包括突破机组大型化的一系列技术难点，推动存量消耗，优化运维服务，满足换机需求增长等问题仍有待进一步应对，从而让风电能源在助力我国实现碳中和目标的进程中发挥更重要作用。推荐大家关注9月3日20时（周六），我将在仿真秀官网和APP带来Simpack风电动力学公开课。

2022风力发电仿真技术学习月（二）：Simpack风电动力学解决方案和应用-仿真秀直播

一、风力发电行业面临挑战

近几十年来，风能已成为全球能源不可或缺的一部分。但要释放风能的全部潜力并满足全球对清洁能源的需求，还需要更多的创新。当今风电行业面临的挑战主要有：

第一个挑战是要更好地了解大气中的风力环境。为了获得更多的风能，风机建造得越来越高，彼此之间的距离也越来越远。因此，研发人员必须了解在这些海拔高度下的风力环境。之前使用简化的物理模型和简单的观测技术，可以在一般地形中安装风机，但是对于复杂地形的大气风力知识知之甚少。如果能更精确地计算出复杂地形下的风力条件，则可以进一步在经济和技术上优化风机，将其安装在适当的位置。

第二个挑战是解决大型风机的旋转机械结构和系统动力学问题。风机是目前世界上最大的柔性旋转机械，其叶片长度超过100米，塔架高度超过100米。相比之下风机的转子所扫过的区域相当于空客A380-800的三架最大客机的机头。随着风机变得越来越大，需要新的结构、工艺来解决运行安全性、可靠性问题。上一代风机设计时使用的数据和经验已不再有效。研发人员不仅必须了解气动，还需要评估如何同时确保结构安全和高效运转。

第三个挑战是海上风机的研发和运维。在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。海上风机面临更为复杂的自然环境，除了具有陆上风机遇到的全部问题之外，还有海水波浪载荷冲击、海水侵蚀、极端工况多、运行和维护成本高等问题，

二、风电机组传动链动力学建模与仿真

Simpack是国内以及世界风机行业应用广、客户多的动力学分析软件，不仅用于风机的载荷分析、传动链分析、整机动力学仿真等，还可以用于关键的控制参数优化、动应力及疲劳分析等。使用Simpack可以建立任意结构的风机齿轮箱及整机模型，包括塔筒、叶片、吊舱、轮毂、发电机等。通过与有限元软件的接口，考虑零部件的弹性特性；通过与空气动力学软件（如AreoDyn、ECN-Aero等）的接口，考虑不同风载对整机动力学的影响；通过与控制软件的接口，进行整机偏航、变桨等控制分析。

利用Simpack 软件，可以建立从单自由度到多自由度、从多刚体到刚柔耦合、以及包含控制系统在内的风机整机动力学模型。Simpack 在风电行业主要应用主要有风机传动链振动分析、变桨和偏航机构设计、载荷分析、整机动态性能仿真、极端工况分析、控制策略优化分析以及实时仿真等。以下内容来自杜静等公开发布的《风力发电机组传动链动力学建模与仿真分析》。

导读：依据德国劳氏船级社2010 年发布的“风力发电机组传动系统动力学认证分析标准”( 即GL 2010 标准) ，以多体动力学仿真软件SIMPACK 为仿真平台建立某型风力发电机组传动链多柔体动力学仿真模型，通过频域分析得到传动链的固有频率及能量分布图，并绘制二维坎贝尔图确定潜在共振点，通过时域仿真分析对潜在共振点进行验证，最终确定危险共振点，该文为风力发电机组传动链动力学建模与仿真提供了一种新方法，为传动链的稳定性和可靠性设计及动力学优化设计提供了理论参考。

1、引言

在风力发电机组运行过程中，由于风载和电网等诸多不确定性载荷因素的影响，使得风力发电机组传动链易出现故障并导致停机，传动链的维修成本约占风力发电机组运行成本的40%。目前风力发电机组正由陆地向海上发展，且功率和机组体积不断增大，因此对传动链的动力学特性要求进一步提高，由于风力发电机组传动链是多自由度多柔体的耦合系统，且所受载荷为非恒定的时变动载荷，所以单自由度纯扭转动力学模型、六自由度全刚体动力学模型均不能真实表达传动链的动态特性，同时为减少安装测试及维修费用，采用多自由度多柔体动力学建模方法对传动链进行动力学仿真分析成为一种行之有效的方法。

2、建模

根据GL 2010 标准风力发电机组传动链动力学模型应包括的零部件和零部件刚柔特性要求及力元刚度矩阵等动力学参数如表1 所示。

齿轮啮合的重合度一般为非整数，啮合齿数交替变化，且斜齿轮接触线长度在啮合过程中会发生变化，由于齿轮结构形式等原因，齿轮齿顶和齿根刚度不同，使得啮合刚度发生周期性变化，且这一时变刚度是齿轮箱系统的一个重要激励源。1958 年S． L． Harris指出齿轮传动系统中存在着由于时变啮合刚度引起的参数化激励。Ｒ． G． Parker 等通过建立有限元接触结构模型提出非线性非恒定的齿轮啮合刚度对于行星轮系是一个明显的激励源，并通过试验对比验证了结论的正确性，此结论由V． K． Ambarisha等通过不同的建模方法得到证实。本文所采用的Simpack齿轮啮合力元根据DIN 3990 标准，同时充分考虑了齿轮的法向侧隙、齿轮副动态轴距的变化、多齿同时啮合、齿轮副材料属性、齿轮宽度方向的翘起等因素，图1 为二级行星架动力学模型及其拓扑图。图2 为一级行星轮与内齿圈之间的啮合刚度曲线。

图1行星轮系仿真模型

图2 啮合刚度曲线

3、动力学响应分析

通过对风轮施加驱动载荷并对发电机转子施加反馈力矩，分别在切入、额定、切出3 种工况下对传动链进行动平衡计算，在动平衡后进行模态分析，得到传动链的固有频率如表2 所示，绘制出各阶频率下的能量分布图和传动链的二维坎贝尔图，坎贝尔图中激励频率为相关轴类部件转动频率的基频、两倍频、三倍频、六倍频，齿轮啮合频率的基频、两倍频、三倍频。由于传动链为多柔体、多自由度的耦合系统，因此需在二维坎贝尔图中甄别交点是否为潜在共振点，根据GL 2010 标准二维坎贝尔图中激励频率的激励源与其相交的固有频率所对应的零部件能量大于20%的部件为同一速度级时，则将此交点定为潜在共振点。图3 为第10 阶频率所对应的能量分布图，图4 为频率在80 ～ 200 Hz 范围内传动链的二维坎贝尔图，根据图3、图4 可判定第10 阶频率值为一潜在共振点。

表2 传动链固有频率

图3 能量分布图

图4 二维坎贝尔图（80-200Hz）

4、时域仿真分析

通过风力发电机载荷计算软件GH Bladed 提取出风力发电机组正常发电时的载荷，施加于输入端，图5、图6 为12 m/s 稳态风额定工况下轮毂中心的载荷MX、MY、MZ、FX、FY、FZ( 静止轮毂坐标系下) 。

图5 轮毂中心扭矩扭矩

图6 轮毂中心受力载荷

通过时域仿真分析可得到各零部件的位移、速度、加速度、动态载荷、柔性体变形量及齿轮副的动态啮合力、时变啮合刚度等动力学参数。传动链柔性体变形云图如图7 所示。

图7 传动链变形云图

二级行星架转动加速度时域信号如图8a 所示，为便于与频域分析进行对比，将所得时域信号进行傅里叶变换，将其转换成频域信号，最终得到信号的频域曲线。图8b 为二级行星架转动加速度快速傅里叶变换图，由图可得到在第10 阶频率值195． 62 Hz 处加速度幅值出现明显的跳跃尖峰，同时结合图3 可得此频率下二级行星架出现共振现象，所以可确定第10 阶频率为危险共振点。

图8 二级行星架振动信号

5、结论

本文依据GL 2010 标准，以SIMPACK 多体动力学软件为仿真平台，建立了某型风力发电机组传动链的动力学模型，通过有限元方法将某些零部件做成柔性体，通过多点约束方法将其与系统进行耦合，得到传动链多柔体动力学模型。通过对传动链进行动平衡及模态分析得到传动链的前10 阶固有频率，并由能量图和坎贝尔图确定了潜在共振点，最后通过时域分析验证了潜在共振点是危险共振点，并得到了传动链的变形云图等动力学参数。

三、Simpack风电动力学应用公开课

2022年9月3日20时（周六），笔者受仿真秀平台邀请，将在2022风力发电仿真技术学习月第二期报告带来《SIMPACK风电动力学解决方案和应用》。

通过本次交流，能了解到Simpack软件的基本情况和技术特点，清楚Simpack软件针对风电产品的具体分析内容，包括传动链共振分析、载荷计算、实时仿真等，获得Simpack的最新技术更新。最后，分享国内外典型的应用案例会给用户提供参考和带来新的思路。

以下是我的公开课安排（欢迎朋友圈分享收藏）

2022风力发电仿真技术学习月（二）：Simpack风电动力学解决方案和应用-仿真秀直播

四、风力发电仿真学习月

自2022年以来，我们分别组织了《力学与有限元学习月》、《汽车仿真设计学习月》和《航空航天仿真设计学习月》，邀请各行业、高校和科研机构资深讲师，分享专业技术、行业经验和案例应用。旨在帮助仿真秀平台用户探索研发工程师的学习路线和知识体系（例如风电行业，结构强度，流场温度，疲劳，多体动力学simpack，螺栓强度和疲劳，混凝土塔筒计算，载荷计算bladed，matlab控制，风资源微观选址，塔筒设计和校核，叶片设计计算等等）。

1、直播安排

2022年8月27日-9月26日，我们迎来了《风力发电仿真设计学习月》，我们再次邀请5位平台优秀资深讲师，面向风力发电仿真设计场景分享行业解决方案。以下是具体安排