以仿真技術確保風機葉片等零組件的安全性

隨著對風能需求的增加，當工程師努力進行風力渦輪機等技術改進時，他們還必須通過驗證其結構完整性和抗疲勞性，進而確保改進的葉片等零組件的安全性。

風能是世界上最有前途的可再生能源之一。隨著全球對空氣質量和氣候變化的擔憂持續上升，人們進一步增加了對這種無碳排放自然資源的興趣。

隨著對風能需求的增加，推進技術以生產更大、更安靜及更便宜的風力渦輪機的需求也在增加。當工程師努力進行這些改進時，他們還必須通過驗證其結構完整性和抗疲勞性來確保零組件（如改進的葉片）的安全性。

德國系統設計和工程公司Bewind GmbH的28名工程師擁有400多年的風能行業經驗，他們使用PyAnsys來優化其風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計界面在Python生態系中同時與多個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的結構、電磁和復合材料仿真求解器以及其他計算機輔助工程（computer-aided engineering；CAE）應用程序和工具。

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

減輕空氣動力學負載
高壓空氣動力學負載應用于風力渦輪機，以足夠的力驅動轉子葉片以產生機械動力并最終產生電力。當然，這會在運轉過程中引起振動。這種振動加上數個施加的負載或應力，可能會導致一系列問題，包括裂紋擴展、脫層和疲勞現象。

通常，轉子葉片在設計時會考慮到潛在疲勞，但疲勞負載仍然是導致葉片損壞的最大因素之一。葉片復合層的脫層是導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）

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

但是，由于負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、應力和應變等參數的負載-時間歷史可用于計算疲勞壽命。其他方法可用于匯聚不規則和擴展的負載歷史記錄，例如雨流計數算法。該方法通常用于分析和計算各種振幅的負載循環，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。Miner法則假設在任何設定應力水平下，每個應力循環造成的損害是相等的，這意味著第一個應力循環與最后一個應力循環一樣具有破壞性。

但不出所料的，這種算法對于整個轉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結合使用來減少計算量。這些硬件解決方案與Ansys仿真和Python中的其他模型相結合，可加速和自動化計算。Python與高級程序設計語言和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開發最先進的工作流程，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，根據應力時間歷史在短短兩天內便可以完成整個轉子葉片所有復合層的分析工作。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變。

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

幸運的是，復合材料表現出有利的疲勞行為，因此即使稍微減少暴露于疲勞應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，這些節省是微不足道的。

像PyAnsys一樣簡單
透過將Ansys產品內建到Python環境中，Bewind工程師可以自定義疲勞評估工作流程，以包括標準后處理任務和復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腳本功能以及復合預處理（Ansys Composite PrepPost；ACP）的自定義功能相結合來實現的。這種精心設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數據處理架構（Ansys DPF），一個可擴展的數據處理系統；以及Ansys Electronics Desktop（AEDT），其中包括多種電子仿真產品，用于建立設計、虛擬驗證設計性能，并在大規模系統級仿真中實現這些設計。

PyAnsys為Ansys DPF中的后處理提供了兩個選項：PyDPF-Post，用于在 Ansys二進制結果文件中繪制數據，以及 PyDPF-Core，允許操作結果文件并建立新數據。此外，PyDPF-Core允許鏈接或整合運算符合功能以實現更無縫的處理流程，從而簡化和簡化腳本編寫。使用PyMAPDL可以建立幾何和網格，以及設置模型。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整合兩個模板負載，以使用轉子葉片模型的二進制結果文件，計算每個復合層不同應力水平下的負載傳遞函數。（source：Bewind）

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

Bewind工程師現在可以透過Ansys工作臺之外的獨立原生CPython架構，輕松瀏覽和使用Ansys軟件。該團隊可以從其內部生態系中選擇Ansys軟件作為常規Python軟件套件，并將其與Python中數千個其他可用的開源軟件套件相結合。PyAnsys用的是當今軟件開發人員和用戶的語言，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，它將Python的使用者性質和易用性與C的過程程序設計風格融為一體。

如何節省時間
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計工作量開發更清晰、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能夠將PyAnys與兩個模板負載整合，以使用轉子葉片模型仿真的結果檔案計算每個復合層應力水平的負載傳遞函數。

在評估風力渦輪機疲勞時，需要考慮兩種類型的負載：

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

通常，襟翼方向是發生大多數負載的地方。盡管如此，這兩種類型的負載都是疲勞的主要原因，因為它們發生在周期性的正交彎曲方向上，產生垂直相交，從而增加葉片的應力。此外，兩種類型的負載都具有較大的振幅和平均值變化，這意味著有更多的負載波動導致疲勞。

如圖二所示，將負載傳遞函數應用于負載時間序列，以評估模型中的應力時間序列。在Bewind，任何模型中使用的每個負載時間序列評估，都是對整個風力渦輪機進行數百次多體模擬的詳細結果。

接下來，透過設計評估期間考慮的雨流計數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載振幅水平和平均負載水平的S-N曲線（或應力-壽命曲線）來演示古德曼曲線（Goodman diagram）模型中的平均應力效應。這有助于說明所評估的復合材料，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 : 風力渦輪機情境圖（source：Ansys）


 
圖四 : 在評估風力渦輪機疲勞時，需要考慮兩種類型的負載：空氣動力學負載及慣性負載。（source：Ansys）

以PyAnsys減輕負擔
除了功能客制化，在Python環境中工作的最大好處之一，在于可以造訪強大、豐富的Python數據庫。并可以調用由高效而強大的數據分析算法支持的PyAnsys特定子例程，以協助進行復雜的研究。
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、自動化任務和設計流程，為應用提供動力、燃料創新等。憑借富有創造力的Python小區、一種鼓勵重用的易于使用的程序設計語言，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資深產品經理）