Bewind的叶片疲劳评估是一件轻而易举的事

由Daniel Kowollik, Blade, Bewind的首席工程师，和Fabio Pavia, Ansys的高级产品经理

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增加，人们对这种无排放自然资源的兴趣越来越大。

随着对风能需求的增加，生产更大、更安静、更便宜的风力涡轮机的先进技术的需求也在加剧。在工程师进行这些改进的同时，他们还必须通过验证改进叶片等部件的结构完整性和抗疲劳性来确保其安全性。

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，它允许您在Python生态系统中使用可编程接口与多个Ansys求解器进行交互。这意味着您可以在集成Ansys的结构、电磁和复合材料模拟求解器(等等)以及其他计算机辅助工程(CAE)应用程序和工具的同时，用Python创建专门的解决方案。

Bewind工程团队使用PyAnsys创建定制的自动化工作流程，以更有效和准确地评估他们的风力涡轮机叶片的疲劳。通过使用Ansys求解器的预测精度来验证叶片在结构上的合理性和操作效率，这种定制自动化显著节省了时间和成本。

用PyAnsys卸下气动载荷

高压气动载荷被应用于风力涡轮机，以足够的力量驱动转子叶片产生机械动力，最终产生电力。自然地，这就导致了操作过程中的振动。这种振动，加上施加的载荷或应力的数量，会导致一系列问题，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，但疲劳负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，小裂纹产生并扩展。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，比如雨流计数算法。该方法通常用于分析和计算不同振幅的加载循环，然后利用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。Miner’s Rule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。

正如你所预料的，这种算法的计算工作量对于整个转子叶片是耗时和昂贵的。

Bewind的工程师通过使用PyAnsys与开源的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仿真和Python中的其他模型相结合，可以加速和自动化计算。Python与高级编程语言和JIT编译器的结合生成了快速的机器代码。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。现在，他们可以在一台12线程的HP Z4计算机上，根据应力时间历史，在两天内分析整个动叶的所有复合层。以前的工作流程大约需要一个星期，只能考虑到一个元素的顶部和底部应变。

此外，使用PyAnsys，您可以操纵您的模拟，在更短的时间内探索更多的可能性。例如，Bewind的工程师实现了不变扇区方法，这可以加速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)，它提供了与其他方法相同水平的准确性，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，因此即使轻微减少暴露在疲劳应力可以增加疲劳寿命。这种延长的生命周期通过在较长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。

像PyAnsys一样简单

通过将Ansys产品集成到Python环境中，Bewind工程师可以定制他们的疲劳评估工作流，包括标准的后处理任务和复合材料的疲劳后处理。这个定制工作流是通过结合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，而且扩展了建模的可能性。

PyAnsys目前包含与Ansys Mechanical APDL (MAPDL)接口的包，MAPDL是一个多物理模拟和方程求解器;Ansys Data Processing Framework (Ansys DPF)，一个可扩展的数据处理系统;以及Ansys电子桌面(AEDT)，其中包括多个电子仿真产品，以创建设计，虚拟验证设计性能，并在大规模系统级模拟中实现这些设计。

PyAnsys为在Ansys DPF内部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的数据。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，从而简化了脚本编写。使用PyMAPDL，您可以创建几何图形和网格，还可以设置模型。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。

作为奖励，Bewind工程师现在可以通过Ansys Workbench之外的独立原生CPython框架轻松访问和使用Ansys软件。团队可以从他们的内部生态系统中选择Ansys软件作为常规的Python包，并将其与Python中数以千计的其他可用的开源包结合起来。PyAnsys使用当今软件开发人员和用户的语言，增加了另一层易用性。CPython是用Python和C编写的最广泛使用的Python语言实现，它将Python的面向对象特性和易用性与C的过程编程风格融合在一起。

Bewind如何节省时间

从多种触手可及的Ansys工具到只需在Python中点击即可管理的界面，PyAnsys使Bewind工程团队能够用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的工作流程图所示，Bewind能够将PyAnsys与两个模板化载荷案例集成在一起，利用转子叶片模型仿真的结果文件，计算每个复合层的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;惯性载荷，如重力或叶片动力，在超前滞后，或拖动方向。一般来说，扇形方向是发生载荷最多的方向。尽管如此，这两种载荷都是导致疲劳的主要原因，因为它们都发生在周期性的、正交的弯曲方向上，这造成了垂直交叉，给叶片增加了压力。此外，两种载荷均有较大的幅值和均值变化，这意味着更多的载荷波动会引起疲劳。

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价。在Bewind，任何模型中使用的每一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，通过设计评估期间的雨流计数算法识别每个疲劳场景。在这一步之后，研究小组使用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，在古德曼图模型中演示平均应力效应。这有助于说明评估的复合材料，并使团队能够确定每个疲劳场景中的损伤量。

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

减轻你的负担，吃一片PyAnsys

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。您还可以访问由高效而强大的数据分析算法支持的特定于pypyys的子例程，以帮助进行复杂的研究。

像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，自动化任务和设计过程，电力应用，燃料创新等等。

凭借一个有创意的Python社区，一种鼓励重用的易于使用的编程语言，以及Ansys领先的仿真解决方案，PyAnsys提供了几乎无穷无尽的创造性和计算可能性。要了解更多，请访问GitHub上的PyAnsys页面:github.com/pyansys。