基于Workbench的風力發電設備力學仿真分析

摘要：隨著我國社會經濟的快速發展，各行各業對電力的需求量也越來越大，其中風力發電是一種綠色、環保的發電方式，在發電過程中不會造成能源消耗。風力發電設備對風力發電效率具有至關重要的影響，現分析了風力發電設備的工作原理和控制系統組成，利用有限元仿真軟件，對風力發電設備的電機固定支座進行了力學仿真分析，為今后風力發電設備的結構優化提供了參考。

關鍵詞：風力發電設備;力學仿真;結構優化

1 風力發電設備

1.1 ? ?風力發電設備工作原理

風力發電原理與傳統能源發電原理有所不同，它主要是利用風能帶動葉片轉動，從而將風能轉化為電能。風力發電的功率取決于工作現場風量和風速的大小，風量越大，發電功率越大。與此同時，發電效率還和發電設備旋轉葉片的結構形式有很大關系，科學合理的旋轉葉片設計能夠有效提高風力發電設備的工作效率[1]。

1.2 ? ?風力發電設備控制系統的組成

在風力發電設備內部有一個控制系統，里面安裝有各種類型的信息設備，主要包括計算機、電路元件、控制器以及傳感器等。計算機的功能是設定相關參數;電路元件負責電路的運行和停止，同時還可以對故障電路進行監測和維修;控制器是整個風力發電設備控制系統的核心元件，其功能是確定葉片是否旋轉，是否正常進行風力發電，可用于控制葉片轉動的開啟和停止[2]。

2 風力發電設備電機固定支座的物理化模型

2.1 ? ?三維模型的建立

風力發電設備內部結構相對較為復雜，其中電機固定支座起到固定和支撐電機的作用，對風力發電設備的安全運行具有重要影響。本文主要以應用最為普遍的U型電機固定支座為例進行分析，風力發電設備電機在固定支座的作用下，固定在平面上，固定支座上設計有螺栓孔與電機進行連接。本文主要考慮U型固定支座的靜力分布情況，考慮到計算機性能和計算時間的限制，對風力發電設備電機固定支座不必要的部分進行了簡化，采用SolidWorks三維建模軟件，建立電機固定支座模型。

2.2 ? ?三維模型的網格劃分

由于風力發電設備電機固定支座的模型較為規則，本文主要采用Workbench自帶的meshing網格劃分工具，對其進行網格劃分，網格類型為結構化網格，網格劃分完成以后，經過統計可知，劃分的網格數為487 596，網格劃分圖如圖1所示。

3 邊界條件的設置及有限元求解

3.1 ? ?邊界條件的設置

設定風力發電設備電機重量為1 500 kg，電機固定支座重量為150 kg，根據地球的萬有引力數據，可以得出作用在導軌上的載荷為16 500 N，固定支座剛度為0.78 kN/mm，固定支座到支撐平面的距離為10 mm，此距離用作鋪設減震緩沖棉，固定支座材料為Q235鋼，設固定支座的底部接觸面為固定面。

3.2 ? ?固定支座結構優化前的仿真結果分析

邊界條件設置完成后，對其進行有限元仿真求解，當載荷為16 500 N時，固定支座的應力分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，此時風力發電設備電機固定支座的最大應力為188.23 MPa，最大應力分布在固定支座的折彎處，最小應力分布在固定支座與地面的接觸面，盡管此時的最大應力在最大屈服強度以下，但其數值相對較大，如果風力發電設備長時間處于高負荷運行狀態下，容易使固定支座磨損和斷裂。

3.3 ? ?固定支座結構優化后的仿真結果分析

為了進一步提高固定支座的力學性能，將固定螺栓孔的數量優化為6個，并增加豎板的厚度。優化完成后對其進行有限元仿真求解，當載荷為16 500 N時，風力發電設備電機固定支座的應力分布云圖如圖3所示，變形分布情況如圖4所示。

由圖3可以發現，此時風力發電設備電機固定支座的最大應力為156.28 MPa，最大應力分布在電機與固定支座連接處，最小應力分布在固定支座下底面中心處，與優化前相比，此時最大應力明顯降低，可以保證風力發電設備的可靠、穩定運行。

由圖4可以發現，此時風力發電設備電機固定支座最大變形量約為0.076 mm，最大變形分布在螺塞連接處，最小變形分布在下底面中心處，與優化前相比較，此時的最大變形量也顯著降低，不會引起風力發電設備振動，能夠保證風力發電設備的正常工作。

4 結語

本文通過仿真分析發現，適當加厚風力發電設備電機固定支座的豎板厚度，增加底部螺栓孔的數量，可以降低固定支座的最大應力和最大變形量，有利于保證風力發電設備的平穩、安全運行。

[參考文獻]

[1] 孫吾波.風力發電設備的優化設計[J].電工文摘，2016（3）：52-54.

[2] 湯志強.風力發電控制系統設計[J].科學導報，2013（17）：269-270.

收稿日期：2020-05-07

作者簡介：李天龍（1989—），男，河北蔚縣人，技術員，研究方向：風力發電系統運維。