叶片疲劳评估在Bewind是轻而易举的

作者:Daniel Kowollik (Blade, Bewind首席工程师)和Fabio Pavia (Ansys高级产品经理万博

风能是世界上最有前途的可再生能源之一。随着全球对空气质量和气候变化的担忧不断加剧，人们对这种零排放自然资源的兴趣也越来越大。

随着对风能需求的增加，对生产更大、更安静、更便宜的风力涡轮机的技术进步的需求也在增加。工程师们在进行这些改进的同时，还必须通过验证改进后的叶片等部件的结构完整性和抗疲劳性来确保它们的安全性。

德国系统设计和工程公司Bewind GmbH的28名工程师拥有超过400年的风电行业经验。他们使用PyAnsys万博来优化风力涡轮机叶片的疲劳评估。

Py万博Ansys是一套开源软件，允许您使用可编程接口在Python生态系统中同时与多个Ansys求解器进行交互。万博这意味着您可以在Python中创建专门的解决方案，同时集成Ansys的结构，电磁和复合材料模拟求解器(以及其他)，以及其他计算机辅助工程(CAE)应用程万博序和工具。

Bewind工程团队使用PyAnsys创建定制的自动化工作流程，以便对万博风力涡轮机叶片进行更有效和准确的疲劳评估。通过使用Ansys求解器的预测精度来验证叶片的结构健全和运行效率，这种定制的自动化大大节省了时间和成本。万博

利用PyAnsys减轻空气动力负荷万博

高压空气动力载荷被施加到风力涡轮机上，以足够的力量驱动转子叶片产生机械动力，并最终产生电力。这自然会在操作过程中引起振动。这种振动，加上施加载荷或应力的数量，可能导致一系列问题，包括裂纹扩展、分层和疲劳现象。

通常，旋翼叶片在设计时考虑到这种潜在的疲劳，但疲劳载荷仍然是叶片损坏的最大原因之一。叶片复合层的分层是导致叶片整体失效的最常见原因。

当材料经历疲劳时，在循环载荷的影响下，小裂纹开始萌生并扩展。即使施加的载荷小于材料的抗拉强度，重复的、循环的载荷也会导致断裂和失效。疲劳载荷分为恒幅和变幅两类。在实际场景中，变幅循环加载更为常见。

然而，由于载荷的振幅随时间波动，需要更多的计算机处理来模拟材料的损伤。力、扭矩、应力和应变等参数的加载历史可用于计算疲劳循环。可以使用其他方法来总结不规则和扩展的负载历史，如雨流计数算法。该方法通常用于分析和计算不同振幅的加载周期，然后使用Miner规则提取损伤参数，Miner规则是疲劳失效的最广泛使用的累积损伤模型之一。Miner’s Rule假定在任何给定的应力水平下，每个应力循环所造成的破坏是相等的，这意味着第一个应力循环与最后一个应力循环具有相同的破坏性。

正如你所期望的那样，这种算法对整个转子叶片的计算是耗时和昂贵的。

Bewind的工程师通过使用PyAnsys和开源、即时(JIT)编译器和并行化框架来减少计算工作量。万博这些硬件解决方案结合Ansys仿真和Python中的其他模型来加速和自动化计万博算。Python与高级编程语言和JIT编译器的结合可以生成快速的机器码。这使Bewind工程师能够在更短的时间内开发最先进的工作流程，从而从工作站中获得最大的性能。如今，他们可以在惠普Z4型12线程计算机上，根据应力时间历史，在两天内分析整个转子叶片的所有复合层。以前的工作流花费了大约一周的时间，并且只能考虑元素的顶部和底部应变。

此外，使用PyAnsys，您可以在更短的时万博间内操纵您的模拟以探索更多的可能性。例如，Bewind工程师实施了不变扇区方法，该方法可以加速复合材料的疲劳评估。这种创新的方法依赖于对区域或部门的精确选择来进行评估，它提供了与其他方法相同的准确性，而计算量却大大减少。幸运的是，复合材料表现出良好的疲劳性能，因此即使在疲劳应力下暴露的轻微减少也可以增加疲劳寿命。这种延长的生命周期通过在更长的时间内平衡能源成本来降低成本。然而，与通过改进疲劳评估来确保叶片可靠性的长期成本效益相比，这些节省是微不足道的。

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通过将Ansys产品集成到Py万博thon环境万博网中，Bewind工程师可以定制他们的疲劳评估工作流程，包括标准的后处理任务和复合材料的疲劳后处理。这种定制的工作流程是通过结合PyAnsys家族中的软件包，Python脚本功能和Ansys Composite PrepPost (ACP)万博的定制功能来实现的。这种精心设计的方法不仅加快了Bewind的评估时间，而且扩展了建模的可能性。

Py万博Ansys目前包括与Ansys Mechanical APDL (MAPDL)接口的软件包，这是一个多物理场仿真和方程求解器;万博Ansys数据处理框架(Ansys DPF)，一个可扩展的数据处理系统;以及Ansys 万博Electronics Desktop (AEDT)，其中包括多个电子仿真产品，用于创建设计，虚拟验证设计性能，并在大规模系统级仿真中实现这些设计。万博网

Py万博Ansys为Ansys DPF中的后处理提供了两个选项:PyDPF-Post，它在Ansys二进制结果文件中绘制数据，PyDPF-Core，它允许您操作结果文件并创建新数据。此外，PyDPF-Core通过让您链接或整合操作符和功能以实现更无缝的处理流，从而简化了脚本。使用PyMAPDL，您可以创建几何和网格，以及设置模型。通过PyAEDT，您可以简化AEDT的脚本编写，这有助于电子和电磁仿真处理。

除了定制之外，Bewind团队还对层压复合材料进行了高级分析，包括成功的高循环应力寿命评估，这是目前标准后处理软件无法提供的后处理评估。

作为奖励，Bewind工程师现在可以通过Ansys Workbench之外的独立本机CPython框架轻万博松访问和使用Ansys软件。团队可以从内部生态系统中选择Ansys软万博件作为常规Python软件包，并将其与Python中数千个其他可用的开源软件包结合使用。添加另一层的易用性，PyAnsys说今天的软件开发人员和用户的语万博言。CPython是使用Python和C语言编写的最广泛使用的Python语言实现，它将Python的面向对象性质和易用性与C的过程编程风格相结合。

逆风如何节省时间

从指尖上的多个Ansys工具万博到只需在Python中单击即可管理的界面，PyAnsys使Bewind工程团队能够以更少的编程工作开发更清晰，更紧凑的工作流程。不必要的读写例程也被最小化，包括在硬盘上输入和输出文件。

如图1的工作流程图所示，Bewind能够将PyAnsys与两个模板化的负载案例相结合，利用转子叶片模型仿真的结果文件计算每个复合层应力水平的负载传递函数。万博

在评估风力涡轮机疲劳时，需要考虑两种类型的载荷:气动载荷，如剪切、阻力和襟翼方向或推力方向的升力;惯性载荷，如重力或叶片动力学在领先-滞后，或拖拽方向。通常，扑翼方向是大多数加载发生的地方。尽管如此，这两种载荷都是导致疲劳的主要原因，因为它们发生在周期性的、正交的弯曲方向上，这会产生垂直的交叉点，给叶片增加压力。此外，这两种载荷都有较大的幅值和平均值变化，这意味着有更多的载荷波动导致疲劳。

如图1所示，将荷载传递函数应用于荷载时间序列，对模型中的应力时间序列进行评估。在Bewind，任何模型中使用的每个负载时间序列评估都是对整个风力涡轮机进行数百次多体模拟的仔细结果。接下来，通过在设计评估期间考虑的雨流计数算法来识别每个疲劳场景。在这一步之后，该团队使用S-N曲线-或应力-寿命曲线-在不同的施加载荷振幅水平和平均载荷水平下，在Goodman图模型中展示平均应力效应。这有助于说明评估的复合材料，并使团队能够确定每种疲劳情况下的损伤量。

作为最后一步，工程师可以使用ACP通过用户定义的绘图来检查和可视化层压板的整体损坏情况。

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除了定制之外，在Python环境中工作的最大好处之一是可以访问健壮、丰富的Python库。您还可以访问pyansys特定的子例程，这些子例程由万博高效而强大的数据分析算法支持，以协助进行复杂的研究。

与Bewind一样，世界各地的工程团队都可以使用PyAnsys来定制他们的工作流程、加速计算、自动化任万博务和设计流程、电源应用、燃料创新等。

有了一个创造性的Python社区，一个易于使用的编程语言，鼓励重用，和Ansys的领先的仿真解决方案，PyAnsys提供了几乎无限的创意和计算的可能性。万博要了解更多信息，请访问GitHub上的PyAnsys页万博面:github.com/py万博ansys。