以提高风力的能量输出涡轮机在美国，制造商正在开发更高的结构和更长的叶片。这是因为100米的风比80米的风更稳定，速度快4.5%，能量增益约14%。更长叶片可以旋转得更慢，但产生更多的电力。去年，美国近5%的新涡轮机高度为100米，这一趋势预计将在全球范围内持续下去。
但更大的尺寸也带来了重大的工程挑战。涡轮转子和轮毂的重量单独产生静态径向载荷和俯仰力矩。风力增加轴承和转子叶片的静态和动态轴向载荷。风还产生俯仰和偏航力矩，随着叶片旋转的位置而循环。当风力涡轮机变大时，这些力量的影响会成倍增加。
鉴于涉及涡轮建设，维护和维修成本显著，制造商必须做出一定的新的设计，更大的涡轮机彻底证明的时间提前。这包括确保在每个涡轮机的心脏，轴承会站起来，结构和环境的压力，只要有可能，在每一个可以想象的情况。
该行业一直在使用各种较小的测试钻机来评估标准尺寸涡轮轴承的性能。但直到最近，还没有办法对新的、更大的轴承进行真实世界的测试。
德国赫尔佐根奥拉赫舍弗勒科技公司(Schaeffler Technologies AG & Co.)。该公司的40,000多个滚动轴承组件目录是行业中最广泛的之一。
凭借多年测试轴承的经验，舍弗勒意识到更大的涡轮机的趋势将决定对更大的测试钻机的需求。
“甚至在考虑对大型风力发电机轴承进行昂贵的真实测试，我们需要量化的关键工作条件，以尽量减少测试时间和成本，”马丁Stief，CAE一体化部工程师舍弗勒说。“我们也希望这些信息来设计和建造的最佳测试设备可能对这种大型轴承。”
有限元分析(FEA)满足了这两种需求。
用于大轴承的大钻机
虽然舍弗勒有小型的测试平台来模拟和应用真实负载在小型滚子轴承上，但它没有足够大的钻机用于大型风力涡轮机。Stief说:“在规划我们的大型钻机项目时，保守工程是将轴承寿命测试从小到大的口号。“有限元分析帮助我们更准确地确定大型轴承的寿命。我们现在可以精确地设计出特定涡轮机几何形状所需的轴承尺寸，这有助于降低成本。我们还能够对客户提供的轴承和组件的原始部件进行运动学分析。这节省了开发时间。”
完成的试验台长16米，宽6米，高5.7米。它重约350吨。与现场的风力涡轮机一样，钻机倾斜5度。
它有五个主要的子组件：传动系，装载架，辅助轴承，试验轴承和张紧框。八个径向和轴向气缸复制真实世界负载。大约需要500螺栓来安装辅助和试验轴承。成品钻机可以用约3.5米的最大直径测试轴承，使之成为最现代化，规模最大，性能最高的轴承试验台在世界上。在约920万$成本，钻机代表舍弗勒未来发展的可再生能源和重型设备行业中显著的投资。
尽管花了两年时间设计和建造试验台，但用于机械有限元(FE)模拟的时间很短:仅两个月的时间用于强度评估和模态分析。Stief说:“因为风能产业现在正在蓬勃发展，我们想尽快制造出这个测试平台。”“这意味着我们有了一种快速、准确的方法来模拟、分析和验证滚动轴承组件，这样我们就可以创建一个可以在运行中准确测量它们的试验台。”
超越设计挑战
舍弗勒首先创建了一个虚拟样机来验证物理试验台，该试验台本身将复制风力涡轮机滚子轴承的实际条件。为此，Stief组建了一个由5名全职人员和2名兼职人员组成的模拟团队，他们都具有使用Simulia公司的Abaqus有限元分析(FEA)软件的经验。
该小组划分测试装备分析成更小的，易于管理的，功能FE子模型，然后将其连接在一起以表示整个试验台。为了确保这一全球代表性的准确性，球队在定义负载，过渡区，和边界条件，如刚度，质量和阻尼，FE子模型之间使用的工程判断。子模型的部件是由可能由分析或基于模拟计算来确定界面条件代替。这种方法有助于减少子模型的大小和加快工作模式的创建。
“我们使用Abaqus来测试关节的强度，并检查特定的连接，”Stief说。“当试验台的总体设计变得清晰时，我们开始在子模型上使用Abaqus进行强度验证。根据这些结果，我们利用基本的机械工程技术改进了试验台的设计，例如通过使肋片更大来加强肋片。然后我们通过Abaqus再次运行子模型进行另一个强度评估。”
该团队还创建了一个额外的有限元模型，以快速评估整个试验台的模态行为，并确定子模型之间的边界条件的定义。采用模态分析方法对试验台的特征频率进行了估计。“显然，我们不想要共振，”斯蒂夫说。“我们不想让试验台自己摇晃开来。”
风力涡轮机的转速通常为16转/分，但工程师们希望他们的试验台能达到60转/分——这与1赫兹的临界激励频率相同。模态分析证实，钻机的第一固有频率为13赫兹，远远超过1赫兹的值，因此不是问题(后续频率甚至更高)。
为了验证他们的虚拟样机，舍弗勒在Abaqus中运行了其试验台的完整有限元模型，通过大量的负载情况。即使整个测试平台的网格非常粗糙，载荷情况的计算最初也达到了可用计算能力的极限。即使有32g的RAM，计算17个负载情况也需要48小时!然而，这一时间后来被削减到10小时，使用了一个新构建的高性能计算集群，具有更快的cpu和更多的RAM。
软件救援
内Abaqus的各种功能有助于使模型的创建高效，快速。例如，ABAQUS包括上百种规格型号的用户元件，子程序，允许工程师定义的Abaqus的模型内部自身FE的行为。在轴承包子模型，轴承的滚动元件用由该表示的滚动元件的精确刚度的行为，以及若干自由度，将不得不分别计算定制的用户元件来替换。这些特殊元素的大小（从一系列100000至约100的）由几个数量减少了自由度。此显著缩短的时间，精力和3D的成本模型和啮合每个滚动元件。分析计算时间从5小时左右骤降至约5秒。
“大型轴承测试平台至少有500个这样的滚动元件。如果没有用户元素，就不可能进行任何有限元计算，”Stief说。
Abaqus的其他功能有助于进行应力分析和强度验证。Stief说，事实证明，螺栓建模功能“非常有用，因为我们预先加载了大量的实际应力和应变值的螺栓。”这个功能让团队创建螺栓，网格化它们，并在3D模型中复制它们所需的次数。所有后续副本也自动网格化，用于有限元分析。
基于几何建模帮助球队迅速网格整个模型和众多子模型的变体。脚本等过程自动化技术制造的建模和评估结果更加方便快捷，大大简化了实力验证。组件，部分和实例的功能促进团队协作，例如交换在设计或FE属性已经改变的团队成员或替换实例或部分之间的部分时。
有了Abaqus的抽象选项，如质量、刚度和连接件，“我们可以通过用壳或梁结构替换大型3D结构，或通过将整个模型部件与适当的界面条件连接，来减小模型的尺寸，”Stief说。
分析导致优化
经过应力分析后，团队根据德国FKM分析强度评估指南和VDI 2230螺丝连接标准进行强度验证。测试结果表明，该试验台还需要进行额外的设计改进，如优化螺杆连接、增加组件以提高可靠性、优化半径以减少应力，以及增加加强筋。
Stief说:“我们创建的仿真模型证明了我们的大型轴承试验台是可靠的，适用于所有类型的大型轴承。”未来，通过试验台运行验证的仿真也将为舍弗勒提供轴承特定值，如载荷分布、压力分布和接触角，以及关于轴承组件在高预紧载荷下弹性行为的重要数据。
“这将导致即使在轴承寿命计算更现实的结果，” Stief说。
他们目前的工作帮助舍弗勒在大型轴承开发的早期检测关键操作条件。它还减少了钻机上的测试时间。由此，舍弗勒可以更早、更容易地在所有设计阶段优化轴承产品，并将更多的重点放在减少滚子轴承的摩擦上。
Stief说，Abaqus FEA模拟不仅对舍弗勒产品的性能最大化是无价的，对其客户也是如此。他说:“在风力行业，我们现在可以制定更详细的操作和维护成品涡轮机的说明。”“这反过来有助于我们为客户提供关于风力涡轮机建设的更精确的建议。”
有限元分析是如何工作的
有限元分析(FEA)是一种被广泛接受的计算机仿真方法，用于建模、评估和优化产品的机械和结构设计。该技术在能源、航空航天和汽车工业中有很长的有效使用历史，现在正被更广泛地应用于消费品、医疗设备和其他部门。
工程师通常从CAD模型开始——可能是翼型，核电站的管道组件，或者风力涡轮机的叶片——然后使用有限元分析软件将模型转换成几何单元的3D网格。这些是有限元分析中的“元素”。每个元素被分配一个不同的大小和形状，数学上代表模型的有限部分。通过节点来量化它们之间的相互关系，这些元素(可能有几十万甚至上百万个)进一步受到边界条件、材料特性以及由所建模的产品类型或结构所决定的大量其他输入的约束。
一旦建立有限元模型，可以模拟和分析任何数量的静态、动态、线性或非线性事件，包括接触、碰撞、屈曲或坍塌场景。甚至多物理分析，如热结构、流体结构相互作用或计算流体动力学，都可以被模拟。然后使用FEA解决方案(“虚拟测试”)的反馈来评估和修改CAD设计，如有必要，可重复进行，直到达到所需的产品功能和耐久性。
FEA的结果通常是通过实际测试来验证的。然而，当与历史工程测试数据结合使用时，有限元分析可以减少设计时间以及大量物理原型的费用。
