基于Workbench的风力发电设备力学仿真分析

摘要：随着我国社会经济的快速发展，各行各业对电力的需求量也越来越大，其中风力发电是一种绿色、环保的发电方式，在发电过程中不会造成能源消耗。风力发电设备对风力发电效率具有至关重要的影响，现分析了风力发电设备的工作原理和控制系统组成，利用有限元仿真软件，对风力发电设备的电机固定支座进行了力学仿真分析，为今后风力发电设备的结构优化提供了参考。

关键词：风力发电设备;力学仿真;结构优化

1 风力发电设备

1.1    风力发电设备工作原理

风力发电原理与传统能源发电原理有所不同，它主要是利用风能带动叶片转动，从而将风能转化为电能。风力发电的功率取决于工作现场风量和风速的大小，风量越大，发电功率越大。与此同时，发电效率还和发电设备旋转叶片的结构形式有很大关系，科学合理的旋转叶片设计能够有效提高风力发电设备的工作效率[1]。

1.2    风力发电设备控制系统的组成

在风力发电设备内部有一个控制系统，里面安装有各种类型的信息设备，主要包括计算机、电路元件、控制器以及传感器等。计算机的功能是设定相关参数;电路元件负责电路的运行和停止，同时还可以对故障电路进行监测和维修;控制器是整个风力发电设备控制系统的核心元件，其功能是确定叶片是否旋转，是否正常进行风力发电，可用于控制叶片转动的开启和停止[2]。

2 风力发电设备电机固定支座的物理化模型

2.1    三维模型的建立

风力发电设备内部结构相对较为复杂，其中电机固定支座起到固定和支撐电机的作用，对风力发电设备的安全运行具有重要影响。本文主要以应用最为普遍的U型电机固定支座为例进行分析，风力发电设备电机在固定支座的作用下，固定在平面上，固定支座上设计有螺栓孔与电机进行连接。本文主要考虑U型固定支座的静力分布情况，考虑到计算机性能和计算时间的限制，对风力发电设备电机固定支座不必要的部分进行了简化，采用SolidWorks三维建模软件，建立电机固定支座模型。

2.2    三维模型的网格划分

由于风力发电设备电机固定支座的模型较为规则，本文主要采用Workbench自带的meshing网格划分工具，对其进行网格划分，网格类型为结构化网格，网格划分完成以后，经过统计可知，划分的网格数为487 596，网格划分图如图1所示。

3 边界条件的设置及有限元求解

3.1    边界条件的设置

设定风力发电设备电机重量为1 500 kg，电机固定支座重量为150 kg，根据地球的万有引力数据，可以得出作用在导轨上的载荷为16 500 N，固定支座刚度为0.78 kN/mm，固定支座到支撑平面的距离为10 mm，此距离用作铺设减震缓冲棉，固定支座材料为Q235钢，设固定支座的底部接触面为固定面。

3.2    固定支座结构优化前的仿真结果分析

边界条件设置完成后，对其进行有限元仿真求解，当载荷为16 500 N时，固定支座的应力分布云图如图2所示。

由图2可知，此时风力发电设备电机固定支座的最大应力为188.23 MPa，最大应力分布在固定支座的折弯处，最小应力分布在固定支座与地面的接触面，尽管此时的最大应力在最大屈服强度以下，但其数值相对较大，如果风力发电设备长时间处于高负荷运行状态下，容易使固定支座磨损和断裂。

3.3    固定支座结构优化后的仿真结果分析

为了进一步提高固定支座的力学性能，将固定螺栓孔的数量优化为6个，并增加竖板的厚度。优化完成后对其进行有限元仿真求解，当载荷为16 500 N时，风力发电设备电机固定支座的应力分布云图如图3所示，变形分布情况如图4所示。

由图3可以发现，此时风力发电设备电机固定支座的最大应力为156.28 MPa，最大应力分布在电机与固定支座连接处，最小应力分布在固定支座下底面中心处，与优化前相比，此时最大应力明显降低，可以保证风力发电设备的可靠、稳定运行。

由图4可以发现，此时风力发电设备电机固定支座最大变形量约为0.076 mm，最大变形分布在螺塞连接处，最小变形分布在下底面中心处，与优化前相比较，此时的最大变形量也显著降低，不会引起风力发电设备振动，能够保证风力发电设备的正常工作。

4 结语

本文通过仿真分析发现，适当加厚风力发电设备电机固定支座的竖板厚度，增加底部螺栓孔的数量，可以降低固定支座的最大应力和最大变形量，有利于保证风力发电设备的平稳、安全运行。

[参考文献]

[1] 孙吾波.风力发电设备的优化设计[J].电工文摘，2016（3）：52-54.

[2] 汤志强.风力发电控制系统设计[J].科学导报，2013（17）：269-270.

收稿日期：2020-05-07

作者简介：李天龙（1989—），男，河北蔚县人，技术员，研究方向：风力发电系统运维。