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产品生命周期管理软件让风能企业轻松实现全球战略性扩张

2009-10-30 10:10:28 中国能源网   作者: Nick Lerner  

[page]风能是古老而充满活力的能量

风能利用是人类的一项传统技能。早在5500 年前,第一艘帆船即扬帆远航;3700年前,风能即已为巴比伦的灌溉系统提供机械动力;2500年前,人类已能利用风能将鼓风炉的温度升至 1200 摄氏度;首架风车的诞生可追溯至公元 50 年;公元 700 年,在今天属于阿富汗的地方,竖轴驱动技术已用来磨制玉米;风车在美国西部大开发中曾用来为火车加水,如今风车已成为美国的标志之一。

首款现代风轮机是在上个世纪 80 年代开发的。虽然风轮机的生产和使用已有悠久的历史,但和其他能源种类相较,其在整个能源行业中地位却显得微不足道。不过,如今风力发电的重要性现在正日益凸显出来。

将设计、技术、科学和管理融合在一个系统平台是风能行业一次前所未有的创新。达索系统 (Dassault Systèmes, DS) 的 V5 和 V6 的PLM 技术已经被全球数千家企业用来进行产品开发、创造领先产品。经实践证明,达索系统PLM技术能够充分满足风电这个新兴行业的各项需求。达索系统在航空航天领域拥有长达28年的服务经验,航空航天行业和风能行业在重量轻、强度高、能够抵御各种恶劣天气的影响、运行机制精密复杂、电源管理先进等方面具有共同的要求,这为向风能行业转移技术和知识提供了理想的机会。

Quietrevolution利用达索系统PLM成功跻身风电行业领先地位

风力发电领域内的领先企业已采用最先进的设计和生产技术。利用风能这一古老的元素能量,空气动力学家、地球物理学家、复合材料工程师、生产专家携手合作,共同构思、设计、建造和运营风轮机,有些已经达到最尖端最顶级的水准。

人类估计可以从风能中获得总共 70 太瓦的电力,而目前全球的总用电量仅为该数值的 20%。不过,关于实际能够获得的电力数量一直众说纷纭。虽然也有人认为不会超过 30%,但大家一般都会参考贝兹定律(贝兹定律认为实际能够获得的电力不会超过预估数值的 60%)。不管这些数值如何,在开发更高效率的风轮机方面,竞争已经开始。一家在风能行业占据领先位置的英国风能公司——Quietrevolution 已经采用达索系统的 PLM 解决方案来强化其风力发电机的设计和制造。

Quiterevolution 采用达索系统 CATIA 进行风能风轮机的设计、工程与制造,为其经空气动力学优化的竖轴风轮机桨叶计算出毫无数学差错的外形。CATIA 通过为 Quietrevolution 提供高效的设计、开发和生产技术平台,最大限度地利用资源,来帮助该公司更好地把握风能系统市场中日益增加的机遇。

Quietrevolution 的设计经理 Richard Kingsley 表示:“产品开发是我们工作的核心。在我们使用达索系统CATIA 虚拟设计解决方案短短的时间里,已显著提升了我们高效完成先进结构从设计到制造整个流程的能力。”Kingsley 先生曾经在 Lotus Cars、Proton、Ascari 和 Aston Martin 体验过PLM能为公司带来的巨大效益。他还表示:“达索系统PLM使我们实现数字化设计、签批、加工可行性研究、产品制造以及3D 设计互动。CATIA 是我们供应链的业界标准,让我们能够与合作伙伴公司交换原始文件,提高了生产效率。”

Quietrevolution 的设计优势在于可使桨叶呈 120 度扭曲,以便风轮机可以持续工作。这种设计特别适合于在风向经常变化的城市环境中使用。采用 CATIA 不仅能够让企业开发出效率更高、更精致的设计方案,还能通过使用原始的 CATIA 文件或者数据格式与内外部供应链协调沟通,满足供应商和分包商的各种需求。Richard Kingsley 补充道:“与供应商的高效协作非常重要。达索系统提供的数据环境能确保顺利、无差错的沟通,对版本迭代和发布流程可以很好地进行管理。”

达索系统的CATIA 虚拟设计解决方案可缩短产品开发周期

达索系统总监 Mike Crow 表示:“我们对 Quietrevolution 因使用尖端的 CATIA 虚拟设计解决方案而跻身于风能行业的前列感到非常高兴。利用其他行业领先企业联合开发的设计和生产最佳实践,风轮机制造商可以避免在实际工作中进行高成本的试验摸索,从而大大缩短开发周期。同时通过将设计、测试和生产可行性分析整合在一体化的环境中,能够生产出性能更加优异的产品。”

来自负责解决方案实施和支持的达索系统增值销售商Intrinsys的Darren Cairns 表示:“Quietrevolution 是因采用先进的 3D PLM 技术而跻身风能行业前列的典型代表。CATIA 蕴含的专业知识能够为 Quietrevolution 提供了先进的生产软件和服务,帮助我们优化产品,开发出创新的能源解决方案,对此我们感到非常自豪。”[page]

达索系统PLM助RomaxWIND 公司实现风电设备优化设计与分析

RomaxWIND 总部位于英国诺丁汉,其下属机构遍布欧洲、亚洲和美国。RomaxWIND 主要是为客户提供开发风轮机传动系统的设计服务、技术咨询和模拟技术。通过高级培训和技术支持,能源专业咨询公司 RomaxWIND 的专业性得以提升,工作效率、技能和能力得以大幅改善。

RomaxWIND 将其自有的专业软件与达索系统的CATIA V5及ENOVIA功能搭配使用,为风能行业的生产厂商和经营者提供变速箱、轴承和传动系统的设计和分析。RomaxWIND 结合使用自己的技术小组和 Romax 模拟技术,能够为其客户提供全面服务,如产品设计、变速箱认证的专家支持、轴承和传动系统设计的应有技术服务、生产支持、战略咨询、技术转让及培训等。
该公司的优势在于其强大的设计功能可显著提升风轮机的传动系统效率。这是通过充分理解齿轮和辅助系统并通过分析和迭代开发对产品进行优化而实现的。

RomaxWIND 高级项目工程师 David Reetham 在谈及实现最高效率的复杂性时这样说道:“行星齿轮系或者周轮齿轮之间的负载均衡是确保可靠性和低振动的关键所在。通过考虑结构绕度、安装条件、重力、组装和生产允许公差所造成的影响,RomaxWIND 采用软件模拟来预测每个行星齿轮分担的负载。再加上变速器接触方式、耐久性计算、相位计算和噪音消除等相关工作,复杂性就随之增加了。”他补充道:“一旦我们完成驱动系统规格及特性的优化,就可以使用 CATIA 对构思进行开发和完善,使其进入生产状态。CATIA 还可用于完善初始设计,让产品尽可能地接近 3D 数字化模型。此外,随着设计的进展以及 3D 模型在设计/分析反馈环路中被转入各个系统,往往还需要进行重复分析。”
为了能让这种复杂的工作顺利进行,RomaxWIND部署了达索系统ENOVIA解决方案。ENOVIA可以增强配置和发布控制,提升设计工作效率,并在零部件和总成之间提供复杂的链接。设计人员可以记录进出的零部件,而版本控制则能够保证一直保留次序和可跟踪性。这样,设计人员就可以完成更多的设计工作,总体的数据安全性和质量也得到了明显改善。”

David Reetham 对此评论道:“达索系统软件和技术的效能,符合我们需求的系统及方法,实现我们企业内外以及我们供应链之间的无缝集成。我们所从事的项目都是国际性的,在风能开发非常活跃的德国、丹麦、中国、印度和美国都有大量的工作要做。达索系统的软件是实施这种业务的理想选择。”

风力发电在全球各地的迅猛发展,需要不断的技术突破。而为了应对这种挑战,RomaxWIND 争取将二十年来在航空航天、汽车、船舶和重工业中累积的知识转移到风能行业。目前,RomaxWIND 已经在风能领域积累了五年经验,并且已经完成了大量的风能项目,并在风能工程的技术开发方面奠定了领先地位。

风能行业蕴含着重要的业务机遇,如何利用这些机遇,就需要创新型公司充分利用主要能源气候的技术转让和营销战略。只有在技术的帮助下,新的能源生产系统才可以开发出来,并随之减轻对矿物燃料的依赖。
RomaxWIND 通过在大量项目中应用 CATIA 和 ENOVIA 软件,对如何实现最优结果的方法拥有深刻的理解。凭借对传动系统、桨叶间距和偏航角的精细调整,精心选择的物料及其相关的生产工艺的经验,RomaxWIND 站在了风轮机设计和开发的最前沿。
David Reetham 总结道:“将来的风能开发工作主要是对现有的技术和方法进行完善,引入新的材料、控制系统并在市场上进行推广。RomaxWIND 引入达索系统PLM 后所达到的效果,使得我们拥有了卓越的操纵性,让我们更有信心充分利用这个技术生产出非常精巧的符合市场需求的产品。”

运用SIMULIA虚拟测试可大大降低测试成本

有限元分析 (FEA) 的使用对风能行业来说是一个重大福音。达索系统SIMULIA的技术营销总监 Dale Berry 谈及在该应用中使用其公司的软件时表示:“像这样的问题,如‘风轮机桨叶的最佳配置是什么?’或者‘您如何将陆基风轮机设计移植到深水风轮机设计中’等等,有限元技术都能给出了最佳答案。工程人员一般从 CAD 模型着手——可能是翼面或者是风轮机的桨叶——然后使用有限元分析软件将模型转化为由几何单元构成的 3D 网格,而这些网格就是有限元分析中的‘元’。
一旦建立起有限元分析模型,任何数量的静态、动态、线性或者非线性事件,包括接触、碰撞、弯曲和/或坍塌场景,甚至多物理场分析(热结构、流体结构相互作用和/或计算流体力学)都可以得到分析。FEA 解决方案(虚拟测试)提供的反馈随后被用于评估和修改 CAD 设计。如果需要这一过程可反复进行,直到实现所需的产品功能和耐久性。

FEA 的结果一般需要通过实际测试验证。不过,如果使用合适的流程,并运用历史工程测试数据,FEA 能够缩短设计时间,降低制造大量物理样机所带来的高昂成本。随着流程整合和设计优化软件逐步添加到工程人员的工具箱,以及多核高性能计算的普及,这种技术在近年来的应用不断加速。

Dale Berry 还表示:“发电行业复杂多样的工程需求已经从 FEA 相互移植的发展中受益菲浅。以SIMULIA 所提供的一体化 FEA 软件 Abaqus 为例,其经过油气平台分析验证的结构设计和地基互动功能现在正用于海上风能结构的开发。由于政府和私营部门对风能行业持续不断的支持,该领域正在蓬勃发展。现在人们正在设计更高的风力机塔架,以便利用高处更强劲的风能,同时也可以抵消海上风电场高昂的安装成本。”

对具有丰富海上油气行业经验的 FEA 软件厂商来说,风力机塔架及其基础的设计和模拟是次要的。对基础进行模拟的所有必备物料模型(例如水泥、土质、地基/结构互动等)都是现成的。线性动力学用于分析振动(地震)影响,而静态和动态非线性分析则用于模拟复杂的流体结构相互作用或者失效机制。

桨叶可能是风轮机最醒目、最关键的部件。复合材料是桨叶的首选材料。最初由航空航天行业推动的复合材料 FEA 建模技术,现在也广泛应用于开发应对恶劣天气的强度和耐久度的新型材料。该软件支持复合材料的预处理步骤,如接头的定义,方向和厚度的分布,各层面的可视化等。出于建模目的,可以将多种元类型(固体壳、连续壳等等)与各种不同的物料和失效模型配合使用,例如由波音开发、由 SIMULIA 完善的虚拟裂纹闭合方法 (VCCT)。

轴承是看起来不大引人注目、但仍然是具有关键作用的的风轮机组件之一。目前多家轴承厂商正在使用达索系统Abaqus FEA来快速准确地建立轴承中各零部件的模型并模拟其相互接触的运行情况。达索系统的解决方案充分利用了内建的稳定功能和先进的接触算法。在轴承的 FEA 分析和风能开发的其他方面还可以应用流程自动化和优化工具,以便确认最优的设计参数,实现最具经济效益的设计方案。”
 




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责任编辑: 中国能源网

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