高科技行业为何倚重多物理场仿真技术

2024-10-11
广东
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Abaqus&Simpack 1+1>2：打造风电叶片仿真多面手

关于 Abaqus：Abaqus 是一款被广泛使用的享誉国际的通用结构有限元分析工具，擅长处理复杂的结构非线性问题，包括静态、动态、热传导和多物理场分析。

关于 Simpack：达索系统 SIMULIA 旗下的 Simpack 是新一代多体动力学仿真工具，它能够快速准确的模拟复杂机械及机电系统多体动力学行为，并在风电行业有着广泛的应用，用来计算风机整机载荷，传动链动力学等风机工况。

两款功能如此强大的软件强强联合又会达成怎样的结果？Abaqus 与 Simpack 用实力证明，正确的搭配会让 1+1>2。

在联合仿真中，Abaqus 通常负责处理系统中结构的非线性柔性体建模和分析，如柔性体的大变形，材料的非线性等行为；而 Simpack 则负责计算系统的多体动力学行为，Abaqus 与 Simpack 软件的联合仿真通过结合两款软件的优势，二者各司其职又相辅相成，提供了准确而高效的多学科联合解决方案，能够实现结构与多体系统的相互作用，尤其适合考虑叶片等非线性柔性体对风机系统多体动力学行为的影响。

例如，Abaqus 与 Simpack 联合仿真在风电叶片中的应用主要体现在对风电机组传动系统和叶片结构非线性行为的高精度动力学建模与分析。通过这种联合仿真，工程师能够更好地理解和预测风电机组在实际运行中的动态响应和行为，从而优化设计、提高性能和可靠性。

在进行刚柔耦合分析时，Abaqus 与 Simpack 的联合仿真提供了多种技术路线，以适应不同的分析需求。

#Abaqus 和 Simpack 实时耦合的方法： 联合仿真方法：当需要考虑更多的非线性效应，如叶片的损伤失效、裂纹扩展等复杂工况时，Abaqus 和 Simpack 的实时耦合仿真提供了解决方案。这种方法计算时间较长，能够提供最为精确和全面的分析结果。

#基于 Abaqus 缩减模型的方法： 线性柔性体方法：采用子结构(Substructure)的方法，适合对叶片刚度和质量分布进行简化处理，忽略复杂的非线性效应，适用于初步设计阶段和概念验证。

Simbeam 非线性离散梁方法：结合复合材料异形截面翘曲单元，能够考虑复杂截面梁面外翘曲对叶片变形的影响。

非线性柔性体方法：针对大尺寸风机长柔叶片在极端工况下的大变形非线性行为，结合了联合仿真和线性柔性体两种方法的优势。通过非线性缩减技术，既考虑到了大型风机叶片在工作中的几何大变形，同时通过模型减缩，将减少了自由度的叶片模型传递到 Simpack 中，从而实现风机载荷准确而高效的计算。因此该方法将在下文重点介绍。

Abaqus 与 Simpack 联合仿真技术路线

02Abaqus“快准狠”实战：四大功能一网打尽

Abaqus 作为一款先进的非线性有限元分析软件，在风机叶片仿真中的应用涵盖了从材料选择、结构设计、动态分析到载荷模拟等多个方面，为风电行业提供了强有力的技术支持和解决方案。

通过构建精细化的有限元模型，Abaqus 能够对风机叶片在不同工况下的应力分布、振动特性和结构稳定性等进行准确预测和分析。Abaqus 在风机叶片仿真中的强大功能包括：

01 非线性分析功能：在风机叶片的设计和优化过程中，Abaqus 的非线性分析功能尤为重要，它可以帮助工程师评估叶片在极端载荷下的性能，如在挥舞和摆振方向上的设计荷载作用。

02 模拟风机叶片动态响应：Abaqus 还能够模拟风机叶片的动态响应，包括在旋转和静止状态下的模态分析，以及在考虑风载和其他外部激励下的动态特性。

03 宏细观一体化数值模型建模方法：在复合材料风电叶片的分析中，Abaqus 的宏细观一体化数值模型建模方法能够考虑纤维增强复合材料的特性，从而更准确地预测叶片的力学行为。

04 风电叶片的振动特性与应力分布分析：对于风电叶片的振动特性与应力分布问题，Abaqus 也提供了有效的分析手段，帮助研究了解叶片在实际工作中的性能表现。

基于 Abaqus 的复合材料叶片的设计与优化

基于 Abaqus 的复合材料叶片特殊工况分析

03 应用流程全破解：Abaqus 非线性柔性体建模及缩减技术

Simpack 新开发了 Abaqus 的非线性接口。基于达索系统的结构非线性分析工具 Abaqus，模拟大尺寸叶片在极端风载下的大变形，软件对叶片模型进行非线性缩减，保留了叶片部件的几何非线性特性，然后导入到 Simpack 中。这种缩减模型的方法特别适用于具有大量自由度的复杂模型，它通过减少模型的自由度来简化计算，同时尽可能保持原有模型的准确性，可以显著减少计算资源的需求和计算时间，而不牺牲太多的精度。

在 Abaqus 中，利用关键字*REDUCED BASIS GENERATE 实现模型的缩减，此关键字对应的缩减模型方法是一种模型降阶技术，通常与模态叠加法（Mode Superposition Method）结合使用，通过将结构的动态响应分解为一系列模态（或振型）的叠加来计算，生成一个缩减的模态集，这些模态足以捕捉结构的主要动态特性。

通过模型缩减生成非线性缩减后，叶片的 Simpack 输入文件，导入到 Simpack 中，进行风机系统在极端工况下的载荷计算。同时，为了方便风电仿真工程师的使用，Abaqus 开发了对应的插件，支持输入参数的图形化界面，用户可以很方便地定义一些参数，例如模态数量、频率范围等，以确定哪些模态将被包含在缩减模型中。整个流程如下图所示：

大型风电机组长柔叶片非线性柔性体仿真分析流程

导航式建模手册：操作指南在手，高效建模我有

为了帮助风电工程师可以快速实现长柔叶片在 Abaqus 软件中的建模工作，SIMULIA 团队工程师编写了详细的导航式建模手册，参考此手册，风电结构工程师可以快速建立 Abaqus 复材叶片模型，并输出供 Simpack 使用的减缩模型，极大的方便了此方法在风电行业的应用。

大型风电机组长柔叶片非线性柔性体建模手册

风机大型化带来的长柔叶片（叶片长度超过 100m）的非线性效应，成为目前风电行业进行风机整机极端载荷工况计算中必须考虑的因素。达索系统深耕多年，始终紧跟行业风向，打造 Abaqus+Simpack 联动方案，“快准狠”出击。

利用 Abaqus 软件强大的复材及非线性结构仿真功能，模拟叶片在极端工况下的非线性行为，同时通过特有的非线性柔性体减缩技术，输出可供 Simpack 运行的减缩模型，在 Simpack 的整机载荷计算中，保证高效计算效率的情况下，可以准确考虑长柔叶片的非线性行为，打破仿真瓶颈，为行业提供前瞻思考。