Bewind的叶片疲劳评估是轻而易举的事

作者:Daniel Kowollik, Blade, Bewind首席工程师，Fabio Pavia, Ansys高级产品经理

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越来越大。

随着对风能需求的增加，需要先进的技术来生产更大、更安静、更便宜的风力涡轮机也加剧了。当工程师们努力进行这些改进时，他们还必须通过验证结构完整性和抗疲劳性来确保改进叶片等部件的安全性。

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

PyAnsys是一套开源软件，允许您在Python生态系统中使用可编程接口同时与多个Ansys求解器进行交互。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)应用程序和工具。

Bewind工程团队使用PyAnsys创建一个定制的自动化工作流程，对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合理和操作效率，这种量身定制的自动化大大节省了时间和成本。

用PyAnsys计算空气动力学载荷

高压气动载荷应用于风力涡轮机，以足够的力驱动转子叶片产生机械动力，并最终产生电力。当然，这在操作过程中会引起振动。这种振动，加上施加的载荷或应力的数量，可以导致一系列问题，包括裂纹扩展、分层和疲劳现象。

通常情况下，转子叶片在设计时就考虑到了这种潜在的疲劳，然而疲劳载荷仍然是叶片损伤的最大原因之一。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，在循环加载的影响下，会产生并扩大小裂纹。即使施加的载荷小于材料的抗拉强度，载荷的重复、循环性质也会导致断裂和失效。疲劳载荷分为两类:恒幅和变幅。在现实场景中，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。载荷-时间历史的参数，如力，扭矩，应力和应变可以用来计算疲劳循环。还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各种振幅的加载循环，然后使用Miner 's Rule提取损伤参数，Miner 's Rule是应用最广泛的疲劳失效累积损伤模型之一。矿工法则假设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的破坏是一样的。

正如你所期望的那样，这种算法对整个转子叶片的计算工作既耗时又昂贵。

Bewind的工程师通过使用PyAnsys与开源、即时(JIT)编译器和并行化框架来减少计算工作量。这些硬件解决方案与Ansys模拟和Python中的其他模型相结合，以加速和自动化计算。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代码。这使得Bewind工程师能够在更短的时间内开发最先进的工作流程，以获得工作站的最大性能。如今，他们可以在HP Z4 12线程计算机上仅用两天时间就可以根据应力时间历史分析整个转子叶片的所有复合层。以前的工作流程大约需要一周的时间，并且只能考虑一个元素的顶部和底部应变。

此外，使用PyAnsys，您可以操纵模拟，在更短的时间内探索更多的可能性。例如，Bewind的工程师们采用了不变扇区方法，从而进一步加速了复合材料的疲劳评估。这种创新的方法依赖于精确选择评估的领域或部门，提供了与其他方法相同的准确性，计算工作量大大减少。幸运的是，复合材料表现出良好的疲劳行为，因此即使疲劳应力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，与通过改善疲劳评估来确保叶片可靠性的长期成本效率相比，这些节省是微不足道的。

简单如PyAnsys

通过将Ansys产品集成到Python环境中，Bewind工程师可以自定义疲劳评估工作流，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家族中的包、Python脚本功能和Ansys Composite PrepPost (ACP)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，而且还扩展了建模的可能性。

PyAnsys目前包括与Ansys Mechanical APDL (MAPDL)接口的软件包，这是一个多物理场模拟和方程求解器;Ansys数据处理框架(Ansys DPF)，一个可扩展的数据处理系统;Ansys电子桌面(AEDT)包括多个电子仿真产品，用于创建设计，虚拟验证设计性能，并在大型系统级仿真中实现这些设计。

PyAnsys为在Ansys DPF内进行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通过让您链接或合并操作符和功能，以实现更无缝的处理流，从而简化和简化脚本。使用PyMAPDL，您可以创建几何图形和网格，并设置您的模型。通过PyAEDT，可以简化AEDT的脚本编写，这有助于电子和电磁模拟处理。

除了定制外，Bewind团队还对层压复合材料进行高级分析，包括成功的高周应力-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。

另外，Bewind工程师现在可以通过Ansys Workbench之外的独立本地CPython框架轻松访问和使用Ansys软件。该团队可以从内部生态系统中选择Ansys软件作为常规的Python包，并将其与Python中数千个其他可用的开源包相结合。PyAnsys为当今的软件开发人员和用户提供了另一层方便。CPython是用Python和C编写的Python语言的最广泛使用的实现，它将Python的面向对象特性和易用性与C的过程式编程风格混合在一起。

Bewind如何节省时间

从指尖上的多个Ansys工具到只需在Python中点击即可管理的界面，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，包括将输入和输出文件输入到硬盘上。

如图1工作流程图所示，Bewind能够将PyAnsys与两个模板加载案例集成在一起，使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载荷传递函数。

在评估风力涡轮机疲劳时，有两种类型的载荷需要考虑:气动载荷，如襟翼方向的剪切、阻力和升力，或推力方向;还有惯性载荷，比如重力或叶片动态在超前滞后或拖动方向。一般来说，襟翼方向是载荷发生最多的方向。尽管如此，这两种类型的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弯曲方向上，这造成了垂直交叉，增加了叶片的应力。此外，两种载荷的振幅和均值变化都较大，这意味着载荷波动较大，容易引起疲劳。

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一个负荷时间序列评估都是对整个风力涡轮机进行数百个多体模拟的仔细结果。接下来，通过设计评估期间考虑的雨流计数算法确定每个疲劳场景。在这一步之后，研究小组在不同的载荷振幅水平和平均载荷水平下使用S-N曲线(或应力-寿命曲线)来演示古德曼图模型中的平均应力效应。这有助于说明所评估的复合材料，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，工程师可以让ACP通过用户定义的图表来检查和可视化层压板的整体损伤。

减轻你的负担，来一片PyAnsys

与自定义一起，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。您还可以访问由高效和强大的数据分析算法支持的特定于pyansys的子例程，以帮助进行复杂的研究。

与Bewind一样，全球的工程团队可以使用PyAnsys定制他们的工作流程，加速计算，自动化任务和设计流程，动力应用，燃料创新等等。

有了创新的Python社区，易于使用的编程语言，鼓励重用，以及Ansys领先的仿真解决方案，PyAnsys提供了几乎无限的创意和计算可能性。要了解更多信息，请访问GitHub上的PyAnsys页面:github.com/pyansys。