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1、 - 14 - http:/ Development of Energy Science February 2015, Volume 3, Issue 1, PP.14-19 Wind Turbine Drive Chain CAE Mesh Automatic Generation Method Based on UG Secondary Development Yang Shi, Fanghui Zhang# China Classification Society Certification Company, Beijing 100006, China #Email: Abstract
2、 A method has been developed to use UG secondary development function to solve the coordinate system confusion in the process of directly transforming from UG format assembly geometric model to STL format. By using this method, the wind turbine generator consists of multi-components drive chain geom
3、etric model which is automatic directly transformed in general to STL format. Also according to the sheet face information of STL format geometry, the program realizes the triangle sheet automatic optimization, thus forms high quality finite element mesh. First of all, this method realizes assembly
4、directly transforming through program. That solves coordinate transformation problem during each component transforming, simplifies the manual transforming work, and reduces the assembly mesh difficulty. Secondly, the method avoids large scale geometry modification, for the large components deviatio
5、n due to components mesh respective and re-combination calculation. Finally, multi-components calculation together as an assembly makes the simulation, drive chains force transmission under the wind load, more realistic. Consequently, the calculation accuracy is greatly improved. Keywords: Drive Cha
6、in; Finite Element Mesh; UG Secondary Development; STL Format 基于 UG二次开发的风机传动链 CAE网格自动生成方法 石扬 ， 张方慧 中国船级社质量认证公司 ， 北京 100007 摘 要 ：利用 UG的二次开发功能，解决了 UG格式装配体几何模型向 STL格式整体转化过程中，坐标系紊乱的弊病，将由多个零部件组成的风力发电机组传动链几何模型整体自动转化成 STL格式，并根据 STL格式几何体的片体信息，编程实现了三角形片体的自动优化，从而生成质量较高的有限元网格。首先，通过编程实现了整体转化，解决了各零部件整体转化过程中坐标系变化
7、问题，简化了手动转化的繁琐工作，降低装配体分网难度；其次，避免了因各零部件分别分网，再组合计算造成的零部件网格容差较大而进行大规模几何模型修改；此外，将多个零部件作为装配体整体计算，更真实模拟了传动链在风载下的力的传递情况，大大提高了计算 精度。 关键词 ： 传动链；有限元网格； UG二次开发； STL格式 引言 风能是一种新型清洁能源，将风能转化成为电能的机构叫做风力发电机组。风力发电作为风能利用的主要形式，受到全世界的广泛关注，随着经济与技术的进步，风力发电技术得到了长足的发展，是未来人类社会赖以生存和发展的重要电力来源之一，影响着人类社会的发展进程。传动链是整个风力发电机组的 - 15
8、- http:/ 重要组成部分之一，其设计制造水平决定了整个机组的未来运行情况的良好与否的先决条件之一，国内外风电行业研究者对其结构和机械性能方面做出了较多工作，本文基于传动链结构有限元分 析提出了一个新的分网思路和方法，对装配体有限元计算的优化和简化做出了一些工作，也给广大机械行业工作者提供了一定参考。 1 风电机组传动链特性及 CAE分析 1.1 传动链特性 风电机组通常分为风轮、机舱、塔筒以及基础等四大部分组成。风轮是由叶片和轮毂组成，叶片在气流作用下，绕风轮回转中心旋转，将风能转换成机械能，而后通过连接风轮和齿轮箱的主轴旋转，经过齿轮箱增速后驱动发电机，将机械能转变成电能。风力发电机组
9、传动链是一个复杂弹性系统，包括叶轮、主轴、机架、齿轮箱、弹性联轴器、电机等部分组成。在时变风载、反馈负载等外部激励和齿轮箱等内部激励的作用下，系统呈现耦合效应和非线性特征。风力发电机组的类型多种多样，其传动链的形式也多种多用，在风电机组设计和评估阶段，均须对传动链系统进行结构和 机械特性分析，其最常用的方法为利用bladed 软件对机组进行整体仿真建模和载荷计算，而后采用 CAE 技术对单个零部件进行边界条件设定和加载，进行强度、模态、疲劳等结构性能分析。图 1为某型号风电机组传动链几何模型（包含传动链支撑装置 机架）。 图 1 风电机组传动链 1.2 CAE分析 通常， CAE 计算前期工作
10、量巨大，整个 CAE 计算过程有三分之二的时间耗费在分网工作中。风电机组的传动零部件较多，特别是轮毂、机架（传动链支撑结构）等结构形式复杂。为保证 CAE 网格的质量，需要进行繁复的几何模型修改工作和网格质量优化工 作。通常在进行传动链计算时，将传动链各零部件分别分网约束加载计算，一方面作为一个装配体的传动链，其约束条件为理想化形式，不利于真实模拟结构件之间的力学传递情况，影响计算精度；另一方面，风电机组的载荷工况较多，多个结构件分别计算，多次加载，工作量巨大。本文利用 UG的二次开发功能，将由多个零部件组成的风力发电机组传动链几何模型整体自动转化成 STL 格式，并根据 STL 格式几何体的
11、片体信息，编程实现了三角形片体的自动优化，并生成质量较高的有限元网格。 2 UG二次开发和 STL格式 UG是 Unigraphics的缩写 ，是 一 个交互式 CAD/CAM（ 计算机辅助设计与计算机辅助制造 ） 系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构 ，在机械设计制造行业得到了广泛的应用，风电机组的几何建模通常采用该软件。 UG/Open +提供了一个面向对象的开发借口，使用这些接口可以通过 C+类的层次关系访问 UG 对象和功能，进行创建、读取、修改 UG 对象及控制 UG 运行等。 STL 是 Stereo Lithographic 的缩写，又称立体光造型文件。大多数
12、CAD 系统都能将几何模型的数据以 ASC II 形式或者二 - 16 - http:/ 进制形式输出其 STL 文件。在 STL 文件中的三角形面片信息单元是一个带矢量方向的三角面片， STL 模型就是由一组这样的三角形面片组成。 3 装配体的 STL格式转换 3.1 装配体格式转换原理 关于装配体，在装配环境中总保持只有一个部件是当前活动的，叫做工作部件。用户创建的所有 UF 对象、表达式等都是在工作部件中创建。部件原型是真实存在的部件模型，它记录了模型所需的所有数据。对于传动链来说，其各零件的几何原型就是部件原型。部件事件是装配环境下对实际存在的部件原型的一种引用，也可以理解为指向部件原
13、型的指针，换言之，就是装配过程中，表征位置改编的参数，即平移参数和旋转参数。如果需要装配传动链，不仅要复制该传动链零件的原型，而且要建立该各零件原型所对应的事件。在装配中，不同的部件事件表征不同的装配节点，因此 UG赋予它唯一的标识。当一个部件文件被多次装入时，将产生不同的部件事件，但这些事件都指 向相同的部件原型。可以看出，部件原型与部件事件之间形成一对多的映射关系。部件事件随原型的改变而改变，但修改部件事件不会影响它的原型。 装配体通常由多个零件组成，装配体有多少零件，由产品结构决定，少则几个，多则成百上千，甚者上万，一辆普通自行车通常有 25 个左右零件组成，而一辆汽车的零件大约有四万到
14、五万个。对装配体建模的方法，通常是对各个零件在各自局部坐标系下分别建模，然后通过建模软件的装配功能，形成整体。对于单一零部件，可以通过另存为 STL 文件，手动完成格式转换工作。但对于装配体，该方法存在较大漏洞，在进行手动转换时候， STL 格式默认仅读取部件原型地址，不可读取其部件事件，对于装配体而言即其平移矢量和旋转矩阵，可以发现，通过手动格式转换，装配体在新的格式中，坐标系非常混乱，各个零部件出现交叉重叠现象，手动再对各零度件进行旋转平移等工作，对于零件较多的结构，工作量巨大，且操作不方便。 3.2 装配体格式转换算法 本文的工作重点就是通过 UG二次开发功能，对其转换过程进行完善，编程
15、实现在对部件事件地址进行读取时候，在地址不为空的情况下，同时读取原型地址、平 移矢量和旋转矩阵，将部件原型和部件事件的获取、判断、转化过程交于计算机处理，其流程图如图 2 所示。我们假设装配体文件中部件原型 (part Prototype)的坐标系为 A，装配坐标系为 B，根据 UF二次开发函数 UF_ASSEM_ask_component_data()的说明，得到的平移矢量 baP 和旋转矩阵 abP ，表示的是由装配坐标系变换到部件原型坐标系的平移矢量和旋转矩阵，而实际输出 STL文件时，要求将部件原型坐标系变换 为装配坐标系。 坐标变换时平移变换只需将平移矢量反向，即可得到部件原型坐标系到装配坐标系得平移矢量，即 ba abP =-P （ 1） 旋转变换相对复杂，根据旋转变化规则有： a ab bq =R q （ 2） 其中 aq 和 bq 分别为 A、 B坐标系下的坐标 根据旋转矩阵性质，有： Tab abR R =1 （ 3）
