风力发电机组的振动仿真方法及装置与流程

1.本技术涉及风力发电机组领域，尤其涉及一种风力发电机组的振动仿真方法及装置。


背景技术：

2.风电行业迈入平价时代，大部件(包括变流器、变压器等)上置于机舱内部成为未来的一项技术趋势。大部件上置能够减少电缆数量以及线损，然而，大部件置于机舱内部的机架上，机舱的振动会传递到大部件上，为确保风力发电机组正常运行，需要考虑机架振动对大部件的影响。
3.为了评估机架上方大部件的振动，通常采用有限元法建立机架实体单元或者壳单元模型，并将大部件简化为质点。虽然机架的结构相对简单，但是总体尺寸大，单元数量庞大，在进行瞬态动力学分析时，计算效率较低。


技术实现要素：

4.本技术提供一种风力发电机组的振动仿真方法及装置，以解决目前通过有限元模型的节点和单元数量多而导致的计算时间成本高的问题。
5.具体地，本技术是通过如下技术方案实现的：
6.本技术实施例的第一方面，提供一种风力发电机组的振动仿真方法，所述风力发电机组包括机舱、设于所述机舱内部的机架以及设于所述机架上的变流器和/或变压器，所述方法包括：
7.构建所述机架的有限元模型，所述有限元模型包括所述机架的三维模型及负载质量点，所述负载质量点至少包括所述变流器和/或所述变压器分别对应的质量点；
8.确定所述负载质量点中的主节点，所述主节点包括所述变流器和/或所述变压器分别对应的质量点；
9.根据所述主节点，将所述有限元模型缩聚为超单元模型；
10.对所述有限元模型和所述超单元模型分别进行模态分析，获得所述有限元模型的固有频率及所述超单元模型的固有频率，和/或所述有限元模型的振型及所述超单元模型的振型；
11.当所述超单元模型的固有频率和所述有限元模型的固有频率的差值与所述有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，和/或所述有限元模型的振型与所述超单元模型的振型基本一致时，在所述超单元模型上施加约束和载荷边界条件；
12.对施加约束和载荷边界条件后的超单元进行瞬态动力学分析，获得所述变流器和/或所述变压器的振动信息。
13.可选地，所述机架为后机架，所述风力发电机组还包括设于所述机舱内部的前机架；
14.所述在所述超单元模型上施加约束和载荷边界条件，包括：
15.在所述超单元模型上，将所述后机架用于与所述前机架相连的位置设置全约束；以及
16.获取所述后机架的加速度载荷和角加速度载荷，并将所述加速度和所述角加速度载荷同时施加到所述超单元模型上。
17.可选地，所述后机架的加速度载荷和角加速度载荷由bladed软件根据预设的风载信息模拟获得。
18.可选地，所述振动信息包括振动加速度。
19.可选地，所述方法还包括：
20.当所述超单元模型的固有频率和所述有限元模型的固有频率的差值与所述有限元模型的固有频率的比值位于预设比值范围外，和/或所述有限元模型的振型与所述超单元模型的振型不一致时，增加所述负载质量点中的主节点，并在增加主节点后，重新将所述有限元模型缩聚为超单元模型，直至所述超单元模型的固有频率和所述有限元模型的固有频率的差值与所述有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，和/或所述有限元模型的振型与所述超单元模型的振型基本一致。
21.可选地，所述根据所述主节点，将所述有限元模型缩聚为超单元模型，包括：
22.根据所述主节点以及模态综合法对所述有限元模型进行求解，获得所述超单元模型；
23.其中，所述模态综合法截断的模态阶数根据所述机架的共振频率确定。
24.可选地，所述主节点的数量大于或等于所述模态阶数的预设倍数，所述预设倍数大于或等于2。
25.可选地，所述主节点包括所述负载质量点中自由度与所述机架的振动的方向相同的负载质量点。
26.可选地，所述构建所述机架的有限元模型，包括：
27.对所述机架的三维模型进行几何清理，以去除所述三维模型中的孔及对所述机架的刚度的影响程度小于或等于预设程度阈值的结构件；
28.对进行几何清理后的三维模型进行网格划分，并添加所述负载质量点；
29.其中，所述负载质量点还包括发电机、水泵、散热器分别对应的质量点。
30.本技术实施例的第二方面，提供一种风力发电机组的振动仿真装置，所述风力发电机组包括机舱、设于所述机舱内部的机架以及设于所述机架上的变流器和/或变压器，所述振动仿真装置包括一个或多个处理器，用于实现第一方面中任一项所述的振动仿真方法。
31.本技术实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现第一方面中任一项所述的振动仿真方法。
32.根据本技术实施例提供的技术方案，将机架的有限元模型转换为超单元模型，机架的超单元模型的矩阵阶数远小于机架有限元模型的矩阵阶数，提高了机架进行瞬态动力学分析时的计算效率，尤其在风力发电机组的设计阶段需要多次迭代优化时，除了在有限元模型缩聚为超单元模型过程中需要占用一定的时间，用缩聚后的超单元模型可以大幅缩短瞬态动力学分析的时间。
33.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不
能限制本技术。
附图说明
34.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
35.图1是本技术一示例性实施例示出的一种风力发电机组的振动仿真方法的流程示意图；
36.图2是本技术一示例性实施例示出的一种超单元模型上施加约束和载荷边界条件的实现过程示意图；
37.图3是本技术一示例性实施例示出的一种风力发电机组的后机架的结构示意图；
38.图4是本技术一示例性实施例示出的一种风力发电机组的振动仿真装置的结构示意图。
具体实施方式
39.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
40.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
41.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
43.本技术实施例中的风力发电机组可包括机舱和机架，其中，机架设于机舱内部。风力发电机组还可包括设于机架上的变流器和/或变压器。
44.需要说明的是，本技术实施例中，风力发电机组包括变流器和变压器，其中，在一些实施例中，变流器和变压器中的一个设于机架上，另一个设置在机舱外，本实施例中，需要对设于机架上的变流器或变压器进行振动分析；而在另外一些实施例中，变流器和变压器均设于机架上，本实施例中，需要对变流器和变压器均进行振动分析。
45.机架可以为后机架，后机架设于所述机舱内部的后端(机舱内部远离叶轮的一端)；而在其他实施例中，机架也可以设于机舱内的其他位置。
46.下述实施例中，以后机架为例进行说明。
47.图1是本技术一示例性实施例示出的一种风力发电机组的振动仿真方法的流程示
意图；如图1所示，本技术实施例提供一种风力发电机组的振动仿真方法可包括步骤s11～s16。
48.其中，在s11中，构建后机架的有限元模型，有限元模型包括后机架的三维模型及负载质量点，负载质量点至少包括变流器和/或变压器分别对应的质量点。
49.应当理解地是，当变流器和变压器中的一个设于机架上时，步骤s11中的负载质量点则包括设于机架上的变流器或设于机架上的变压器；当变流器和变压器均设于机架上时，步骤s11中的负载质量点则包括变流器和变压器。
50.其中，构建后机架的有限元模型的过程可以包括但不限于如下步骤：
51.(1)、对后机架的三维模型进行几何清理，以去除三维模型中的孔及对后机架的刚度的影响程度小于或等于预设程度阈值的结构件；
52.步骤(1)的目的是去除设于后机架上但对后机架的刚度影响较小的结构。
53.该步骤中，孔可以包括螺栓孔和/或安装工艺孔，或其他孔；结构件可以包括支架或其他结构件。
54.预设程度阈值的大小可以根据需要设置。
55.(2)、对进行几何清理后的三维模型进行网格划分，并添加负载质量点，其中，负载质量点还可包括发电机、水泵、散热器分别对应的质量点。
56.本技术对网格划分的方式不做具体限定，可以采用现有的三维模型的网格划分方式。
57.并且，在进行网格划分后，需要进行材料赋予等操作初步建立后机架的有限元模型。
58.添加负载质量点是在对进行几何清理后的三维模型进行网格划分之后执行的。
59.本技术实施例中，可对发电机、水泵、散热器、变压器和变流器等采用mass21单元模拟质量，后机架上与发电机、水泵、散热器、变压器和变流器等对应的安装位置采用点面接触相连。
60.在s12中，确定负载质量点中的主节点，主节点包括变流器和/或变压器分别对应的质量点。
61.应当理解地是，当变流器和变压器中的一个设于机架上时，步骤s12中的主节点则包括设于机架上的变流器或设于机架上的变压器；当变流器和变压器均设于机架上时，步骤s12中的主节点则包括变流器和变压器。
62.在一些实施例中，主节点还可包括负载质量点中自由度与后机架的振动的方向相同的负载质量点。
63.在s13中，根据主节点，将有限元模型缩聚为超单元模型。
64.超单元相当于构造了一个特殊单元来表示一组单元，是将有限元模型上大部分节点的刚度和质量矩阵通过一些变换缩聚到小部分主节点的刚度和质量矩阵上，从而减少矩阵阶数，提高计算效率。适用于结构形式比较单一，简单几何形状组成的结构。
65.可选地，步骤s13是根据主节点以及模态综合法对有限元模型进行求解，获得超单元模型。其中，模态综合法截断的模态阶数根据后机架的共振频率确定。
66.在一些实施例中，为提高超单元模型的精度，主节点的数量大于或等于模态阶数的预设倍数。其中，预设倍数可大于或等于2。
67.可以按照如下主节点确定原则确定主节点：
68.1)、主节点的数量是所需模态阶数的两倍及以上；
69.2)、主节点包括负载质量点中自由度与后机架的振动的方向相同的负载质量点；
70.3)、需进行振动分析的结构，设于后机架的变流器和/或变压器；
71.4)、相对质量大刚度相对小的位置和/或结构件，具体可以根据需求定义相对质量大刚度相对小的位置和/或结构件。
72.在s14中，对有限元模型和超单元模型分别进行模态分析，获得有限元模型的固有频率及超单元模型的固有频率，和/或有限元模型的振型及超单元模型的振型。
73.步骤s14为了验证超单元模型的精度的，防止超单元误差较大导致振动分析准确度低。在一些实施例中，对有限元模型和超单元模型分别进行模态分析，获得有限元模型的固有频率及超单元模型的固有频率，再根据有限元模型的固有频率及超单元模型的固有频率来验证超单元模型的精度；在另外一些实施例中，对有限元模型和超单元模型分别进行模态分析，获得有限元模型的振型及超单元模型的振型，再根据有限元模型的振型及超单元模型的振型来验证超单元模型的精度；在另一些实施例中，对有限元模型和超单元模型分别进行模态分析，获得有限元模型的固有频率及超单元模型的固有频率，和有限元模型的振型及超单元模型的振型，再根据有限元模型的固有频率及超单元模型的固有频率，和有限元模型的振型及超单元模型的振型来验证超单元模型的精度。
74.在s15中，当超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，和/或所述有限元模型的振型与所述超单元模型的振型基本一致时，在超单元模型上施加约束和载荷边界条件。
75.假设s14中获得的有限元模型的固有频率为f1，超单元模型的固有频率,为f2，则超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值则为：|f1
‑
f2|/f1。
76.预设比值范围可以根据需求设置，如当超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值小于或等于10％时，在超单元模型上施加约束和载荷边界条件。
77.本技术实施例中，超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，和/或后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型基本一致，表明后机架的超单元模型的误差较小，适用于后续基于后机架的超单元模型来分析设于后机架上的变流器和/或变压器的振动。
78.在一些实施例中，当超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内时，在超单元模型上施加约束和载荷边界条件，本实施例中，超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，表明后机架的超单元模型的误差较小。
79.在另外一些实施例中，当后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型基本一致时，在超单元模型上施加约束和载荷边界条件，本实施例中，后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型基本一致，表明后机架的超单元模型的误差较小。
80.在另外一些实施例中，当超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，且后机架的超单元模型与后机架的有
限元模型的振型基本一致时，在超单元模型上施加约束和载荷边界条件，本实施例中，超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，且后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型基本一致，表明后机架的超单元模型的误差较小。
81.需要说明的是，本技术实施例中，后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型基本一致可以包括后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型相同或者近似相同。
82.风力发电机组还可包括设于机舱内部的前机架，前机架与后机架相连接。
83.参见图2，在超单元模型上施加约束和载荷边界条件的实现过程可以包括步骤s151～s152。
84.其中，在s151中，在超单元模型上，将后机架用于与前机架相连的位置设置全约束。
85.全约束即相当于模拟后机架与前机架相连接。
86.在s152中，获取后机架的加速度载荷和角加速度载荷，并将加速度和角加速度载荷同时施加到超单元模型上。
87.后机架的加速度载荷和角加速度载荷可由bladed软件根据预设的风载信息模拟获得，也可采用其他软件根据预设的风载信息模拟获得。其中，预设的风载信息可包括风速、风向等参数。
88.步骤s152中是将加速度和角加速度载荷以整体加速度的形式施加到超单元模型上。
89.此外，当超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值位于预设比值范围外，和/或有限元模型的振型与超单元模型的振型不一致时，增加负载质量点中的主节点，并在增加主节点后，重新将有限元模型缩聚为超单元模型，直至超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值在预设比值范围内，和/或有限元模型的振型与超单元模型的振型基本一致。其中，超单元模型的固有频率和有限元模型的固有频率的差值与有限元模型的固有频率的比值不在预设比值范围内，和/或后机架的超单元模型与后机架的有限元模型的振型不一致，表明后机架的超单元模型的误差较大，需重新确定后机架的超单元模型。
90.在s16中，对施加约束和载荷边界条件后的超单元进行瞬态动力学分析，获得变流器和/或变压器的振动信息。
91.应当理解地是，当变流器和变压器中的一个设于机架上时，步骤s16中需获得设于机架上的变流器或设于机架上的变压器的振动信息；当变流器和变压器均设于机架上时，步骤s16中需获得变流器和变压器的振动信息。
92.本技术实施例中，振动信息可包括振动加速度，还可包括其他振动信息。
93.请参见图3，风力发电机组包括后机架1、变流器2和变压器3，该风力发电机组的振动仿真方法可包括如下步骤：
94.(1)、构建该风力发电机组的后机架1的有限元模型；
95.具体地，对后机架1的原始三维模型进行几何清理，去除螺栓孔和安装工艺孔，以及对后机架1刚度影响较小的支架等小部件；接着，通过有限元软件对后机架1的三维模型
进行网格划分，材料赋予等操作建立其有限元模型；再对变流器2和变压器3采用mass21单元模拟质量，后机架1上与变流器2和变压器3对应的安装位置采用点面接触相连。
96.(2)、在步骤(1)获得的有限元模型上，按照上述实施例中的主节点确定原则总共确定43个主节点；接着进入有限元软件的求解，求解方法选择模态综合法，截断的模态阶数为20阶，求解后得到后机架1的超单元模型。
97.(3)、对后机架1的超单元模型和有限元模型分别进行模态分析，对比两种模型的固有频率及振型，对比后发现其固有频率误差在5％以内，振型基本一致，说明主节点的位置和数量合适，后机架1的超单元模型符合要求。
98.(4)、在有限元软件中，将后机架1与前机架相连的位置设置全约束，然后将bladed软件获得的风力发电机组的后机架1在塔顶坐标系下的加速度和角加速度载荷，以整体加速度的形式施加到超单元模型上，进行瞬态动力学计算，在短时间内得到了变流器2和变压器3的振动加速度，对比有限元模型进行瞬态动力学分析节省了大量的计算时间成本。
99.本技术实施例的风力发电机组的振动仿真方法，将后机架的有限元模型转换为超单元模型，后机架的超单元模型的矩阵阶数远小于后机架有限元模型的矩阵阶数，提高了后机架进行瞬态动力学分析时的计算效率，尤其在风力发电机组的设计阶段需要多次迭代优化时，除了在有限元模型缩聚为超单元模型过程中需要占用一定的时间，用缩聚后的超单元模型可以大幅缩短瞬态动力学分析的时间。
100.与前述风力发电机组的振动仿真方法的实施例相对应，本技术还提供了风力发电机组的振动仿真装置的实施例。
101.参见图4，本技术实施例还提供一种风力发电机组的振动仿真装置，风力发电机组包括机舱、设于机舱内部的后机架以及设于后机架上的变流器和/或变压器，本技术实施例的振动仿真装置可包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的振动仿真方法。
102.本技术风力发电机组的振动仿真装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备，如计算机上。以计算机为例，装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在计算机的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本技术风力发电机组的振动仿真装置所在计算机的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的计算机通常根据该计算机的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
103.上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
104.对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本技术方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
105.本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的风力发电机组的振动仿真方法。
106.所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是风力发电机的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(smart media card，smc)、sd卡、闪存卡(flash card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
107.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。