風電機組螺栓連接參數(shù)化有限元分析
——VBA與APDL聯(lián)合二次開發(fā)

張俊，沈雨虹，廖暉

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽，618000）

風電機組螺栓連接參數(shù)化有限元分析
——VBA與APDL聯(lián)合二次開發(fā)

張俊，沈雨虹，廖暉

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽，618000）

在風電機組的整體有限元分析中，重要且困難的部分是對主要部件之間的連接螺栓進行極限強度和疲勞壽命有限元分析。文章介紹風電機組螺栓連接參數(shù)化有限元分析流程，并以輪轂與葉片連接螺栓為例詳細介紹分析流程中的各個步驟，最后簡單介紹如何聯(lián)合VBA和APDL進行分析流程中所需的二次開發(fā)。

風電機組，螺栓連接，有限元分析，二次開發(fā)，參數(shù)化

0　引言

在風力發(fā)電機組新機型的開發(fā)和認證過程中，為保證機組的安全運行和質量，必須對主要部件（如輪轂、主軸、軸承座、機架等）及主要部件之間的連接螺栓進行有限元分析，而且在風電機組的整體有限元分析中，重要且困難的部分是對主要部件之間的連接螺栓進行極限強度和疲勞壽命有限元分析。其重要性在于螺栓的失效將導致風電機組的損壞，危及到人員安全；其困難在于螺栓的單元類型通常為梁單元 （因用實體單元模擬螺栓時，螺紋部位與連接件之間的接觸關系設為綁定，傳力面由螺栓桿部的等圓形截面突變?yōu)檫B接件的端部截面，會在關鍵螺紋部位產生不真實的應力集中現(xiàn)象，而用梁單元模擬螺栓時，可將代表螺紋部位的各個梁單元的節(jié)點通過梁或桿單元連接至螺紋孔面上的各個節(jié)點，可較真實和精確地模擬螺栓連接中由多圈螺紋傳力的效果），且整個螺栓連接有限元模型中單元之間的接觸和連接關系很多，僅僅通過有限元分析軟件的界面操作無法或很難建立精確的螺栓連接有限元模型，然而通過命令流的形式能很好地解決該問題。

本文介紹了風電機組螺栓連接參數(shù)化有限元分析流程 （包括極限強度和疲勞壽命），并以輪轂與葉片連接螺栓為例詳細介紹了分析流程中的各個步驟，最后結合VBA和APDL兩種語言的特點簡單介紹了如何聯(lián)合該兩種語言進行分析流程中所需的二次開發(fā)。應用本文介紹的方法，可簡化有限元分析的前后處理工作，并根據具體的機型和載荷高效合理地選取螺栓型號和數(shù)量，有利于機組優(yōu)化設計，具有很高的實用價值。

1　參數(shù)化有限元分析流程

圖1　螺栓連接參數(shù)化有限元分析流程圖

風電機組螺栓連接參數(shù)化有限元分析流程如圖1所示。第一步：在Microsoft Office Excel中輸入螺栓連接有限元模型所需的各種參數(shù)，包括螺栓型號和數(shù)量、連接件尺寸、各個極限工況下的載荷分量數(shù)據 （用于生成與螺栓極限強度有限元模型對應的宏文件 “Static.mac”）及按不同大小和方向施加的合成彎矩載荷 （用于生成與螺栓疲勞壽命有限元模型對應的宏文件 “Fatigue.mac”）；第二步：將Excel中的部分參數(shù)，包括螺栓型號和數(shù)量及連接件尺寸傳入ANSYS Workbench的參數(shù)管理器 （WB Parameter Set）中，然后更新靜力結構分析系統(tǒng) （WB Static Structural）的幾何 （Geometry）數(shù)據單元中的參數(shù)以更新幾何模型；第三步：將Excel中的其余參數(shù)傳入VBA工程，編寫VB過程生成與螺栓極限強度和疲勞壽命有限元模型分別對應的宏文件"Static.mac"和"Fatigue.mac"，打開ANSYS Mechanical，將兩個文件的內容分別復制到各自對應的Command對象中；第四步：在ANSYS Mechanical中生成與螺栓極限強度和疲勞壽命有限元模型分別對應的可用于求解的輸入文件"Static.inp"和"Fatigue.inp"，并將其依次導入ANSYS經典環(huán)境 （ANSYS Classic）中進行求解；第五步：在Excel的VBA工程中編寫VB過程生成與螺栓極限強度和疲勞壽命有限元模型分別對應的用于提取螺栓應力的宏文件"StressStatic.mac"和"StressFatigue.mac"，在ANSYS Classic中運行這兩個宏，自動提取螺栓的應力數(shù)據并保存于txt文件中。本章后續(xù)內容以輪轂和葉片連接螺栓為例詳細介紹了每步的具體操作過程。

1.1Excel中的參數(shù)輸入

圖2　有限元模型參數(shù) （螺栓型號和數(shù)量、連接件尺寸等）

輪轂與葉片之間的螺栓連接有限元模型所需的各種參數(shù)如圖2所示，參數(shù)定義表 （Parameter Definitions）包括參數(shù)名稱（Name）、參數(shù)值（Value）、單位 （Unit）及描述 （Description），參數(shù)值列中以紅色表示的數(shù)值為手動輸入數(shù)據，以黑色表示的數(shù)值為自動更新數(shù)據 （輸入輪轂側和葉片側螺栓螺紋規(guī)格參數(shù)h_TS和b_TS后，單擊Update Data按鈕，即可完成數(shù)據的自動更新）。圖2中未列出的參數(shù) （各個極限工況下的載荷分量數(shù)據和按不同大小和方向施加的合成彎矩載荷）在該Excel工作薄的其他工作表列出。

1.2利用WB Parameter Set傳遞和更新參數(shù)

ANSYS Workbench的參數(shù)管理器 （WB Parameter Set）用于管理各個分析系統(tǒng)（Analysis Systems）中參數(shù)的傳遞和更新，配合組件系統(tǒng)（Component Systems）中的 Microsoft Office Excel組件使用時，能更加方便、靈活地管理各個參數(shù)（如圖3所示）。將Excel中的部分參數(shù)，包括螺栓型號和數(shù)量及連接件尺寸傳入WB Parameter Set中，然后更新靜力結構分析系統(tǒng)（WB Static Structural）的幾何 （Geometry）數(shù)據單元中的參數(shù)以更新幾何模型，如圖4所示。

圖3　ANSYS Workbench中參數(shù)的傳遞和更新

圖4　輪轂與葉片螺栓連接幾何模型

幾何模型中的軸對稱部分只建出1/N（N為一圈螺栓的個數(shù)），且盡可能地切割出規(guī)則的體，以便劃分出規(guī)則的網格，如圖5所示。若建出整個軸對稱部分并直接進行自由網格劃分，則無法劃分出規(guī)則的網格，有可能導致有限元模型在求解時不收斂或求解的應力結果不真實。因主要的分析對象為螺栓，故輪轂采用粗略的四面體單元劃分網格，且在靠近螺栓的部分進行了網格加密。

圖5　輪轂與葉片螺栓連接網格模型

1.3通過Excel VBA生成宏文件

更新WB Static Structural的Geometry數(shù)據單元中的參數(shù)后，幾何和網格模型中的軸對稱部分只有1/N。接下來需要建立整個軸對稱部分的網格模型，若還是在Workbench的Mechanical模塊中進行界面操作將無法完成后續(xù)工作，因整個軸對稱部分的網格模型需通過APDL中的EGEN命令對單元進行旋轉陣列來生成，涉及到對單元和節(jié)點的操作，而Mechanical模塊對此方面的處理能力較弱。但幸運的是Mechanical模塊中提供了使用APDL語言的接口，即可以在Mechanical模塊中插入Command對象 （見圖6），在該對象中可直接輸入APDL命令，以輔助完成復雜有限元模型的建立。

圖6　在Mechanical模塊中插入Command對象

在Mechanical模塊中插入Command對象很簡單，難點在于如何完成Command對象中的APDL代碼 （即"Static.mac"和"Fatigue.mac"兩個宏文件中的內容）。既然所需的所有參數(shù)都列在Excel的工作薄中，便可通過Excel VBA生成宏文件。在Excel VBA中編寫與圖7中4個命令按鈕對應的事件過程，生成"Static.mac"，"Fatigue.mac"，"Stre ssStatic.mac"，"StressFatigue.mac"4個宏文件，前兩個分別為建立完整的輪轂與葉片連接螺栓極限強度和疲勞壽命有限元模型所需的宏文件，后兩個為后處理時提取螺栓應力所需的宏文件。

圖7　通過Excel VBA生成宏文件

1.4通過ANSYS Mechanical生成輸入文件

在Mechanical模塊中通過菜單項Tools＞Write Input File...即可生成與極限強度和疲勞壽命有限元模型分別對應的輸入文件"Static.inp"和"Fatigue. inp"。inp文件中包含了完整的有限元模型從前處理（網格劃分和約束、載荷施加）到求解 （求解設置和載荷步控制）所需的所有數(shù)據。

1.5提取螺栓應力數(shù)據

將1.4節(jié)中提到的兩個輸入文件依次導入到ANSYS Classic中進行求解，求解完成后通過1.3節(jié)中提到的宏文件"StressStatic.mac"和"StressFatigue.mac"來提取螺栓應力，輪轂與葉片連接螺栓在某一極限工況下的應力如圖8所示。對于極限強度有限元模型，提取的螺栓應力可以直接用于螺栓極限強度的校核，而對于疲勞壽命有限元模型，提取的是合成彎矩的大小和方向對螺栓應力的二維影響矩陣 （見表1），不能直接用于螺栓疲勞壽命的計算。計算螺栓疲勞壽命的步驟如下：

（1）提取合成彎矩的大小和方向對螺栓應力的二維影響矩陣；

（2）將合成彎矩大小和方向的時間序列 （由Bladed后處理生成）在此二維影響矩陣的基礎上進行二維插值，得出螺栓的應力時間序列；

（3）結合SN曲線數(shù)據統(tǒng)計螺栓的年損傷值D，從而算出螺栓的壽命為1/D，單位為年。

要注意的是以上算出的壽命只針對單個螺栓，應對所有的螺栓進行以上3個步驟的疲勞壽命計算。

圖8　輪轂與葉片連接螺栓在極限工況下的應力云圖

表1　合成彎矩的大小和方向對單個螺栓應力的二維影響矩陣

2　VBA與APDL聯(lián)合二次開發(fā)介紹

2.1VBA和APDL語言介紹

VBA（即Visual Basic for Application）是Visual Basic的一種宏語言，主要用來擴展Windows的應用程序功能，特別是Microsoft Office軟件。Excel5.0版本 （1994年發(fā)行）中就已具備VBA的宏功能。

APDL（即ANSYS參數(shù)化設計語言，ANSYS Parametric Design Language）是一種解釋性語言，可用來在ANSYS Classic（即ANSYS經典環(huán)境）中完成一些通用性強的任務，也可用于根據參數(shù)來建立模型。APDL還包括其他許多特性，如重復執(zhí)行某條命令、宏、if-then-else分支、do循環(huán)、標量、向量及矩陣操作等。

雖然只通過APDL即可完成參數(shù)化有限元建模，但ANSYS Workbench的組件系統(tǒng)中已集成了Microsoft Office Excel，在Excel中定義參數(shù)時可增加圖示，顯得更加直觀，而且可通過VBA宏實現(xiàn)根據某個輸入條件批量更新參數(shù)值的功能 （如圖2）。因此聯(lián)合VBA和APDL兩種語言進行參數(shù)化有限元分析，可達到取長補短的效果。

2.2VBA與APDL聯(lián)合開發(fā)步驟

VBA與APDL聯(lián)合開發(fā)看似復雜，實則簡單，即通過參數(shù)化的Excel VBA宏生成參數(shù)化的APDL宏，參數(shù)化思想貫穿VBA與APDL聯(lián)合開發(fā)的始終。如圖9所示，第一步：通過VBA代碼創(chuàng)建文本文件"Static.mac"并返回用于該文件讀寫的文件流對象"apdl"；第二步：通過文件流對象"apdl"在文件"Static.mac"中寫入APDL命令，通過字符串連接運算符"&"將VBA中的參數(shù)"Length"的值寫入APDL命令中；第三步：完成所有APDL命令的寫入后關閉文件流對象"apdl"。通過以上簡單的三步即可完成VBA與APDL的聯(lián)合，當然，這只是萬里長征的第一步，剩下的路程是如何完成所有的APDL命令。

圖9　通過VBA宏生成APDL宏示例

3　總結

本文介紹了風電機組螺栓連接參數(shù)化有限元分析流程 （包括極限強度和疲勞壽命），并以輪轂與葉片連接螺栓為例詳細介紹了分析流程中的各個步驟，最后結合VBA和APDL兩種語言的特點介紹了如何聯(lián)合兩種語言進行分析流程中所需的二次開發(fā)。應用本文介紹的方法，可簡化有限元分析的前后處理工作，并根據具體的機型和載荷高效合理地選取螺栓型號和數(shù)量，有利于機組優(yōu)化設計，具有很高的實用價值。

［1］Germanischer Lloyd.Guideline for the Certification of Wind Turbines［S］.2010

［2］VDI2230 Part 1，Systematic Calculation of High Duty Bolted Joints，Jointswith One Cylindrical Bolt［S］.

［3］ANSYS，ANSYS Workbench 14.0 Help Documentation［DB］.Workbench User'sGuide

［4］ANSYS，ANSYS Workbench 14.0 Help Documentation［DB］.Mechanical APDL ANSYS Parametric Design Language Guide

［5］Steve Saunders，Jeff Webb.Programming Excel with VBA and.NET［M］.O'Reilly，2006

Parametrized FEA of Bolted Connections of Wind Turbines—Second Development through Combining VBA and APDL

Zhang Jun，Shen Yuhong，Liao Hui

（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

In finite element analysis of wind turbines，the important and difficult part is to do ultimate strength and fatigue life FEA of bolted connections between main components.In this article，the analysis flow of parametrized FEA for bolted connections of wind turbines is introduced，and the bolted connection of hub and blade is taken as an example to describe in detail various procedures in the analysis flow.At last，the way of combining VBA and APDL to do necessary second development in the analysis flow is described.

wind turbine，bolted connection，finite element analysis，second development，parameterization

TK83

B

1674-9987（2015）02-0030-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.006

張俊 （1983-），男，工學碩士，2007年3月畢業(yè)于華中科技大學機械工程學院機電系，現(xiàn)在東方電氣風電有限公司從事結構分析工作。