CN117010259A - 风电机组门洞结构的优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及风电的技术领域，具体为一种风电机组门洞结构的优化方法，包括：S10针对塔架门洞结构进行参数化建模；S20考虑多种工况下，对参数化建模进行仿真计算；S30根据仿真计算的结果，再搭建优化模型，搭建优化模型包括：S31确定各个输入变量的合理化范围；S32通过DOE试验分析选取一系列采样点；S33通过响应面分析搭建数学模型，确定输入参数和输出参数之间的关系；S34根据输入参数和输出参数之间的关系进行参数调整；S40根据搭建的优化模型，选择优化算法，完成塔架门洞结构的优化分析。本申请的技术方案有效地解决了现有技术中的风电机组塔架校核门洞强度时耗时较长的问题。

Description

风电机组门洞结构的优化方法

技术领域

本申请涉及风电的技术领域，具体而言，涉及一种风电机组门洞结构的优化方法。

背景技术

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风电机组基本结构包括基础、塔筒、机舱和叶轮。

风电机组塔架由于底段存在门洞开孔结构，这成为底段塔架设计的关键因素，在风电行业平价背景下，整机减重降本需求越来越强烈，合理的塔门设计不仅能够满足塔架的强度、屈曲安全性等规范要求，也要具有良好的制造工艺性，还能减轻重量获得良好的经济性。门洞结构属于开口结构，需要采用有限元算法来校核门洞强度。常规有限元分析就是一个结构建一次模型，计算一次结果，如果不满足要求，要重新调整结构尺寸，重新再来一遍有限元分析，这样的有限元算法耗时较长。由于工程项目周期非常紧张，

因此需要对塔架关键因素门洞结构进行多参数优化设计，有助于提高塔架门洞设计准确性，减少塔筒工程量。

发明内容

本申请提供了一种风电机组门洞结构的优化方法，以解决现有技术中的风电机组塔架校核门洞强度时耗时较长的问题。

根据本申请提供的一种风电机组门洞结构的优化方法，包括：S10 针对塔架门洞结构进行参数化建模；S20 考虑多种工况下，对参数化建模进行仿真计算；S30 根据仿真计算的结果，再搭建优化模型，搭建优化模型包括：S31 确定各个输入变量的合理化范围；S32通过DOE试验分析选取一系列采样点；S33 通过响应面分析搭建数学模型，确定输入参数和输出参数之间的关系；S34 根据输入参数和输出参数之间的关系进行参数调整；S40 根据搭建的优化模型，选择优化算法，完成塔架门洞结构的优化分析。

进一步地，在步骤S30中，确定设计变量对响应参数在给定响应点附近影响的敏感性。

进一步地，在步骤S20中，多种工况包括极限工况、屈曲工况和疲劳工况，确定门洞结构设计影响因素包括门洞极限屈曲因子、门框最大极限应力、门洞焊缝最大极限应力和门洞焊缝疲劳损伤。

进一步地，多种工况包括极限强度分析：

提取剔除焊缝处应力影响的不同工况下门框本体的最大等效应力，结合门框本身的屈服强度，得到门框本体的强度安全系数：SRF，门框强度满足要求的判断条件是：

式中：

——材料特性设计值，依据门框厚度选取并考虑材料安全系数，MPa；

——门框等效应力，MPa。

进一步地，多种工况还包括屈曲分析：

当分析塔筒门洞位置屈曲时，需对按照EN1993-1-6标准计算的轴向临界设计应力进行修正，修正公式如下：

式中：

σx,Rd——计算截面处不考虑开洞影响的实际轴向失稳临界应力；

C1——考虑门洞影响的折减系数；

门洞稳定性安全系数及门洞不发生轴向失稳的条件为：

。

进一步地，疲劳强度分析在载荷施加点施加预定值的主方向弯矩载荷My，在ansys中进行求解可得到考虑门洞后焊缝实际应力，为了准确评估焊缝应力，应依据ⅡW标准进行线性插值计算得到焊缝处应力σ_(weld_hot)，分别提取0.4t和1t处的S1和S3，并按照ⅡW标准介绍的方法进行应力插值计算：

式中：

——是距离焊缝0.4t处的第一主应力；

——是距离焊缝1t处的第一主应力；

——是距离焊缝0.4t处的第三主应力；

——是距离焊缝1t处的第三主应力。

进一步地，假定没有门洞结构采用名义应力法计算门洞处应力σ_(weld_nominal)，将有门洞时的有限元计算的应力结果和没门洞时工程算法下的应力对比得到SCF，在门洞SCF计算中考虑S1和S3，且计算所有门洞焊缝节点处的SCF然后取最大值作为门洞SCF；

采用工程算法计算焊缝处应力，计算公式如下：

式中:

d_1——塔架外径；

d_2——塔架内径；

将插值得到焊缝处应力与工程算法得到焊缝位置处应力进行比较得到SCF，计算公式：

；

根据计算出来的最大疲劳SCF，结合马尔科夫矩阵及SN曲线便可以得到门框焊缝的疲劳损伤值。

进一步地，在步骤S10中，在workbench中通过DM模块实现，建立草图然后对参与优化设计的变量进行参数化，对所有参与优化设计的变量进行处理，根据Parameter Set实现几何模型参数化建模。

进一步地，在步骤S10中，塔架门洞有限元分析时要求：至少门洞以及相近区域网格是规则的六面体网格同时考虑焊缝外推计算要求，要保证在1t和0.4t处有节点且网格相对比较规则，同时保证一定网格密度，厚度方向至少多层单元。

进一步地，根据优化算法生成的优化推荐点，进行验证优化结果的准确性。

应用本申请的技术方案，S10 针对塔架门洞结构进行参数化建模。S20 考虑多种工况下，对所述参数化建模进行仿真计算。S30 根据仿真计算的结果，再搭建优化模型，搭建优化模型包括：S31 确定各个输入变量的合理化范围；S32 通过DOE试验分析选取一系列采样点；S33 通过响应面分析搭建数学模型，确定输入参数和输出参数之间的关系；S34 根据输入参数和输出参数之间的关系进行参数调整。S40 根据搭建的优化模型，选择合适的优化算法，完成塔架门洞结构的优化分析。通过本申请的优化方法可以实现参数化优化分析，自动寻优，进而不需要再重新调整结构尺寸，再进行一般有限元分析的整个流程，进而本申请的优化方法可以节省时间。本申请的技术方案有效地解决了现有技术中的风电机组塔架校核门洞强度时耗时较长的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例的风电机组门洞结构的优化方法的流程示意图；

图2示出了图1的塔筒门洞结构示意图；

图3示出了图1的门洞输入参数和输出参数关系曲线示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、塔架门洞结构；20、塔架底法兰。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1至图3所示，本实施例的风电机组门洞结构的优化方法包括：S10 针对塔架门洞结构10进行参数化建模。S20 考虑多种工况下，对所述参数化建模进行仿真计算。S30根据仿真计算的结果，再搭建优化模型，搭建优化模型包括：S31 确定各个输入变量的合理化范围；S32 通过DOE试验分析选取一系列采样点；S33 通过响应面分析搭建数学模型，确定输入参数和输出参数之间的关系；S34 根据输入参数和输出参数之间的关系进行参数调整。S40 根据搭建的优化模型，选择合适的优化算法，完成塔架门洞结构10的优化分析。

应用本实施例的技术方案，S10 针对塔架门洞结构10进行参数化建模。S20 考虑多种工况下，对所述参数化建模进行仿真计算。S30 根据仿真计算的结果，再搭建优化模型，搭建优化模型包括：S31 确定各个输入变量的合理化范围；S32 通过DOE试验分析选取一系列采样点；S33 通过响应面分析搭建数学模型，确定输入参数和输出参数之间的关系；S34 根据输入参数和输出参数之间的关系进行参数调整。S40 根据搭建的优化模型，选择合适的优化算法，完成塔架门洞结构10的优化分析。通过本申请的优化方法可以实现参数化优化分析，自动寻优，进而不需要再重新调整结构尺寸，再进行一般有限元分析的整个流程，进而本申请的优化方法可以节省时间。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的风电机组塔架校核门洞强度时耗时较长的问题。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，在步骤S30中，确定设计变量对响应参数在给定响应点附近影响的敏感性。

下面对步骤S30进行详细描述：用来拟合响应面的试验样本点的选取技术（DOE技术），是响应面技术中的一个很关键的问题。样本点选取的位置好，则能够降低DOE计算成本，并提高响应面的精度。取点方法尽量用最有效的和最少量的样本点对设计空间进行填充，且试验样本点的位置满足一定的对称性和均匀性要求。在ANSYS DX中缺省的DOE方法是CCD（中心复合设计）。

基于DOE中的设计点，每一个输出参数关于输入参数的响应面可通过参数回归分析方法得到。响应面是输出参数关于输入参数的近似函数，其精度依赖于输出量变化的复杂程度、DOE中样本设计点数量以及响应面算法类型的选择等因素。尽管这个响应面仅仅是实际结构响应的近似函数，但是可以借助其对设计空间进行全方位的研究。DX提供了很多的图形和数值分析工具，可用于对响应面结果进行分析和展现。通常会首先研究敏感性图，即设计变量对响应参数在给定响应点附近影响的敏感性，又称为局部敏感性。这个敏感性给出了参数局部影响大小的一种指示。响应面分析更直接的结果是给出了响应图，即：每一个输出变量关于任意一个或两个输入变量的变化曲线或曲面，而这些响应图（曲线或曲面）也同样依赖于响应点位置。响应面结果（包括局部敏感性、响应图等）是设计探索的强有力工具，可帮助设计人员回答“what-if”型问题，即：“如果要达到某项性能要求（如：降低成本），需要如何改变设计参数”的问题。

通过响应面分析，可以得到各个输入参数与输出参数之间的关系曲线，三维响应面，敏感度矩阵等。可以指导塔架门洞各个输入参数调整方向，明确塔架门洞各个输入参数对强度指标和模型重量的敏感程度，更加直观的看到每两个输入参数对所关注的参数的影响情况等。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，在步骤S20中，多种工况包括极限工况、屈曲工况和疲劳工况，确定门洞结构设计影响因素包括门洞极限屈曲因子、门框最大极限应力、门洞焊缝最大极限应力和门洞焊缝疲劳损伤。通过考虑上述的工况可以有效地避免塔架出现疲劳破坏、屈曲应力破坏等情况的发生。

在本实施例的技术方案中，边界载荷施加：塔底载荷施加：在塔架底段上法兰中心位置建立载荷施加节点，通过刚性梁单元将该节点与该段塔架上法兰端面连接，施加塔底载荷。位移约束：塔架底法兰20下端面全约束。多种工况包括极限强度分析：提取剔除焊缝处应力影响的不同工况下门框本体的最大等效应力，结合门框本身的屈服强度，得到门框本体的强度安全系数：SRF。门框强度满足要求的判断条件是：

式中：

——材料特性设计值，依据门框厚度选取并考虑材料安全系数，MPa；

——门框等效应力，MPa。

在本实施例的技术方案中，多种工况还包括屈曲分析：

当分析塔筒门洞位置屈曲时，需对按照EN1993-1-6标准计算的轴向临界设计应力进行修正，修正公式如下：

式中：

σx,Rd——计算截面处不考虑开洞影响的实际轴向失稳临界应力；

C1——考虑门洞影响的折减系数；

门洞稳定性安全系数及门洞不发生轴向失稳的条件为：

在本实施例的技术方案中，疲劳强度分析在载荷施加点施加预定值的主方向弯矩载荷My，在ansys中进行求解可得到考虑门洞后焊缝实际应力，为了准确评估焊缝应力，应依据ⅡW标准进行线性插值计算得到焊缝处应力σ_(weld_hot)，分别提取0.4t和1t处的S1和S3，并按照ⅡW标准介绍的方法进行应力插值计算：

式中：

——是距离焊缝0.4t处的第一主应力；

——是距离焊缝1t处的第一主应力；

——是距离焊缝0.4t处的第三主应力；

——是距离焊缝1t处的第三主应力。

在本实施例的技术方案中，假定没有门洞结构采用名义应力法计算门洞处应力σ_(weld_nominal)，将有门洞时的有限元计算的应力结果和没门洞时工程算法下的应力对比得到SCF，在门洞SCF计算中考虑S1和S3，且计算所有门洞焊缝节点处的SCF然后取最大值作为门洞SCF；

采用工程算法计算焊缝处应力，计算公式如下：

式中:

d_1——塔架外径；

d_2——塔架内径；

将插值得到焊缝处应力与工程算法得到焊缝位置处应力进行比较得到SCF，计算公式：

根据计算出来的最大疲劳SCF，结合马尔科夫矩阵及SN曲线便可以得到门框焊缝的疲劳损伤值。

在本实施例的技术方案中，在步骤S10中，在workbench中通过DM模块实现，建立草图然后对参与优化设计的变量进行参数化，对所有参与优化设计的变量进行处理，根据Parameter Set实现几何模型参数化建模。塔架门洞一般分布在塔架底段，且开孔处与塔架变截面厚度处的距离至少保证一定距离，塔架与门框之间采用焊接连接（焊透）。

在本实施例的技术方案中，在步骤S10中，塔架门洞有限元分析时要求：至少门洞以及相近区域网格是规则的六面体网格同时考虑焊缝外推计算要求，要保证在1t和0.4t处有节点且网格相对比较规则，同时保证一定网格密度，厚度方向至少多层单元。门洞一般位于塔筒底段，采用焊接形式连接，由于塔架以及门洞结构相对比较规则，要保证在1t和0.4t处有节点且网格相对比较规则（0.4t和1t连线垂直于焊缝）同时保证一定网格密度，厚度方向至少3层单元，其余区域网格建议也划分成规则网格，厚度方向至少保证2层单元，同时对网格质量进行检查，不能出现错误提示。需要说明的是，上述的t是筒壁厚度。

在本实施例的技术方案中，根据优化算法生成的优化推荐点，进行验证优化结果的准确性。最后通过Optimization，Objectives and Constraints 中设置优化约束条件，门洞焊缝极限最大应力不超过其许用应力，门框极限最大应力不超过许用应力，门洞焊缝疲劳损伤不超过1，设置优化目标整体模型质量最小。通过遗传优化算法一般会生成三个优化推荐点，塔架工程师根据经验选取合适的优化点进行验证优化结果准确性。

通过上述可知，通过塔架门洞多参数优化分析方法，在塔筒门洞结构设计中全面考虑门洞极限屈曲因子、门框最大极限应力、门洞焊缝最大极限应力和门洞焊缝疲劳损伤等影响因子，合理结合apdl命令流实现结果提取并作为优化输出变量，搭建优化模型，确定各个输入变量的合理变化范围，通过软件中DOE试验分析方法选取一系列采样点完成分析，完成响应面分析来搭建数学仿真模型，可以得到各个输入参数与输出参数之间的关系曲线及敏度图，有助于后续设计参数调整，设定门洞结构优化约束条件及优化目标，选择合适优化算法，完成优化分析。这为以后的塔架门洞设计提供指导依据，有利于塔架工程项目中减重降本。

本技术方案实现了塔架门洞参数化建模，该技术方案的方法可以直接指导后续的塔架门洞的设计，根据项目实际载荷和塔架数据，可以实现门洞模型自动化建模、计算仿真、优化分析，一方面提高了塔架门洞计算仿真的效率，另一方面优化了项目塔架的重量，很好的实现了风机平价背景下的降本增效的目标。

本申请的技术方案：

1.考虑屈曲、极限、疲劳强度等影响因子的风电塔筒门洞结构优化设计方法；

2.几何模型实现完全参数化建模；

3.插入apdl屈曲和疲劳计算命令流与workbench联合仿真；

4.考虑合适的优化设计变量、约束条件和优化目标；

5.整体优化推荐点可以返回验证计算结果可靠性。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，包括：

S10 针对塔架门洞结构进行参数化建模；

S20 考虑多种工况下，对所述参数化建模进行仿真计算；

S30 根据仿真计算的结果，再搭建优化模型，搭建优化模型包括：

S31 确定各个输入变量的合理化范围；

S32 通过DOE试验分析选取一系列采样点；

S33 通过响应面分析搭建数学模型，确定输入参数和输出参数之间的关系；

S34 根据输入参数和输出参数之间的关系进行参数调整；

S40 根据搭建的优化模型，选择优化算法，完成塔架门洞结构的优化分析。

2.根据权利要求1所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，在步骤S30中，确定设计变量对响应参数在给定响应点附近影响的敏感性。

3.根据权利要求1所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，在步骤S20中，所述多种工况包括极限工况、屈曲工况和疲劳工况，确定门洞结构设计影响因素包括门洞极限屈曲因子、门框最大极限应力、门洞焊缝最大极限应力和门洞焊缝疲劳损伤。

4.根据权利要求3所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，所述多种工况包括极限强度分析：

提取剔除焊缝处应力影响的不同工况下门框本体的最大等效应力，结合门框本身的屈服强度，得到门框本体的强度安全系数：SRF，门框强度满足要求的判断条件是：

式中：

——材料特性设计值，依据门框厚度选取并考虑材料安全系数，MPa；

——门框等效应力，MPa。

5.根据权利要求3所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，所述多种工况还包括屈曲分析：

当分析塔筒门洞位置屈曲时，需对按照EN1993-1-6标准计算的轴向临界设计应力进行修正，修正公式如下：

式中：

σx,Rd——计算截面处不考虑开洞影响的实际轴向失稳临界应力；

C1——考虑门洞影响的折减系数；

门洞稳定性安全系数及门洞不发生轴向失稳的条件为：

。

6.根据权利要求3所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，疲劳强度分析在载荷施加点施加预定值的主方向弯矩载荷My，在ansys中进行求解可得到考虑门洞后焊缝实际应力，为了准确评估焊缝应力，应依据ⅡW标准进行线性插值计算得到焊缝处应力σ_(weld_hot)，分别提取0.4t和1t处的S1和S3，并按照ⅡW标准介绍的方法进行应力插值计算：

式中：

——是距离焊缝0.4t处的第一主应力；

——是距离焊缝1t处的第一主应力；

——是距离焊缝0.4t处的第三主应力；

——是距离焊缝1t处的第三主应力。

7.根据权利要求6所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，假定没有门洞结构采用名义应力法计算门洞处应力σ_(weld_nominal)，将有门洞时的有限元计算的应力结果和没门洞时工程算法下的应力对比得到SCF，在门洞SCF计算中考虑S1和S3，且计算所有门洞焊缝节点处的SCF然后取最大值作为门洞SCF；

采用工程算法计算焊缝处应力，计算公式如下：

式中:

d_1——塔架外径；

d_2——塔架内径；

将插值得到焊缝处应力与工程算法得到焊缝位置处应力进行比较得到SCF，计算公式：

；

根据计算出来的最大疲劳SCF，结合马尔科夫矩阵及SN曲线便可以得到门框焊缝的疲劳损伤值。

8.根据权利要求1所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，在步骤S10中，在workbench中通过DM模块实现，建立草图然后对参与优化设计的变量进行参数化，对所有参与优化设计的变量进行处理，根据Parameter Set实现几何模型参数化建模。

9.根据权利要求1所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，在步骤S10中，塔架门洞有限元分析时要求：至少门洞以及相近区域网格是规则的六面体网格同时考虑焊缝外推计算要求，要保证在1t和0.4t处有节点且网格相对比较规则，同时保证一定网格密度，厚度方向至少多层单元。

10.根据权利要求1所述的风电机组门洞结构的优化方法，其特征在于，根据优化算法生成的优化推荐点，进行验证优化结果的准确性。