基于Process simulate工藝仿真在風電工藝中的應用

李琳

（上海電氣風電集團股份有限公司，上海 200233）

在我國能源形式中，電力最為潔凈和便捷，已成為我國經濟的命脈。目前，我國的電力系統使用的動力源是以火力發電和水利發電為主，然而，火力發電在發電過程中會產生一系列的環境問題，如產生大量的二氧化碳導致的溫室效應、二氧化硫導致的環境污染等。針對以上問題，中國向全世界承諾，未來10年碳排放量將減少40%～50%。優化能源結構、發展可再生能源是實現這一承諾的重要條件。風能由于其具有清潔、便捷的特點，在全球的各種可再生能源中，受到了全球有關專家的廣泛關注，風電行業也因此得到了快速發展，對風電機組整機設計需求也日益增加。日益擴大的市場對于安裝工藝效率要求進一步提升，為了進一步提升裝配安裝效率，針對工藝仿真的呼聲要求進一步擴大。但是，由于風電行業的建模和仿真技術以及工具的開發都比較落后，風力發電機的建模和仿真技術是其研究的基本工作和條件。本文基于工藝仿真應用設計推廣架構，完善風電工藝仿真應用實踐案例，著重介紹了風力發電建模和仿真的基本條件和技術基礎，希望為風電行業的進一步研究提供研究思路和實際參考。

1 數字化工藝平臺整體架構

數字化整體制造從前端設計到數字化工藝到生產端執行，是由零部件制造、裝配規劃、工藝BOP、資源管理、工廠設計與優化、生產管理等核心軟件構成。可在工藝仿真軟件中初步實現數字雙胞胎映射，完成工藝規劃及相關工藝過程操作。現在技術成熟度越來越高，研發周期要求越發緊迫，如何可以快速提升研發效能，是重中之重。利用數字化技術支持，實現虛擬生產，通過研發設計端進行虛擬產品設計，工藝條線進行虛擬生產仿真，過程協同確認及相互迭代，虛擬產品用數據驅動虛擬生產，虛擬生產反饋數據更新至虛擬產品，虛擬生產環境中驗證風電機組安裝，指導真實生產過程，交付真實產品，縮短實體樣機生產過程。

從要制造什么樣的風機產品，到如何制造風機產品，到何時何地制造產品，是一個正向的數據流，就是研發-工藝-制造的過程。對于工藝條線來說，設計工藝協同設計需求與日俱增，引入工藝過程仿真，支撐裝配過程驗證工藝可行性，進而優化裝配過程，提高制造生產效率。Process Simulate是由一款工藝仿真軟件，可促進企業范圍內的制造過程信息協同共享，減少制造規劃工作量和時間，在虛擬環境中早期驗證生產試運行及通過在整個過程生命周期中模仿現實過程，提高過程質量（圖1）。

圖1 數字化制造整體解決方案示意圖

2 基于工藝仿真的風機數字化裝配的設計方案

2.1 基于 Process Simulate 風電的工藝仿真研究

常規來講，虛擬產品設計完成需要進行實物生產、實地裝配，生產及安裝過程中有問題反饋給前端，進行設計更新及工藝升級。鑒于Process Simulate工藝仿真軟件進行風電安裝過程的仿真執行，閉環靜態及動態干涉檢查，驗證工藝步驟。

2.2 工藝仿真的設計流程

首先，從正向設計思路看，所有的產品都是以市場需求和戰略導向為領航燈，制定產品技術路線后，按照產品及設計需求下發進行相關零部件及相應工藝方案、工裝工具詳細設計，這個階段都是在數字化建模設計軟件中完成，是虛擬產品狀態。通過整體數據鏈打通建設，架構數字化工藝體系性，提升研發效率，縮短設計創新時間，逐步健全工藝資源池，提高知識重用率，進行數字化樣機裝配，用仿真的結果服務車間及現場，便于制造端操作。

為了完成以上目的，數字化工藝的實現路徑為三方面：（1）建立統一的標準要求：針對物料、文檔及相關工藝設計標準進行統一規定，讓大家的起點保持一致；（2）推進三維化工藝設計，利用設計軟件進行工裝工具參數化設計建設，實現設計計算強度仿真CAE一體化，用參數驅動設計，大大提升工程師工作效率；（3）構建模塊化結構化意識，建設工藝資源庫，針對工裝工具及相關設備進行物料分類管理，細化工藝步驟，進行結構化工藝試水。

通過前端基于模型的研發建模體系PDM系統輸出三維模型結構及物料信息至工藝數字化TCM平臺，實現設計工藝協同、結構化工藝、工藝文檔可視化、工藝仿真數據協同管理。由TCM工藝平臺數據，下發制造MES執行系統，完成數字化工廠應用，應用工廠物流仿真控制調整生產節拍。產品及工藝數據在架構的數據鏈條中貫通形成閉環迭代反饋數據流，完成風機產品數據一條龍流轉。協同的數字化工藝管理平臺是整體數據鏈條中的中轉加工站和樞紐，確保數據流暢。從前端的工藝規劃及布局，到針對工藝過程的仿真驗證，到工廠物流配貨工時效率的仿真模擬，能夠貫穿整個風機安裝裝配，從而實現風機成品的質量評估和安裝效率評估，驗證各種不同的風機裝配工藝方案，確保最優方案發送至現場，提升風機工藝整體質量水平。

3 工藝仿真技術在電氣風電的應用

工藝過程仿真對零組件、工裝工具、設備進行靜動態裝配仿真，自動路徑尋優，進行干涉檢查，同時，定義人體工作姿態，進行重點難點工序姿態分析、可視性可達性、舉升分析、快速上肢受力分析、腰背部受力分析及等。可以提升設計一次準確率，降低設計制造成本，縮短新產品研發迭代周期。進行工藝過程仿真，可以在設計初期就同步進行工藝工裝設計及工藝方案設計，不斷迭代，在軟件中模擬風機模型裝配、工裝工具與風機裝配、工藝安裝過程等，從而盡早發現靜態及動態干涉，實現設計工藝協同，在三維可視化環境中仿真裝配過程、驗證裝配工藝可行性，優化制造裝配工藝過程，提升制造部門裝配工藝技術水平，提高制造生產效率，在早期發現問題、解決問題，減少現場重做和返工，提高產品的一次生產正確率。在虛擬環境中驗證新工藝和技術，節約制造成本，在樣機未安裝前閉環相關問題；同時，在工藝設計過程中分析、優化因人的身高與體重等因素造成的操作使用問題，從人機工效的角度，解決產品設計的合理性、工藝可行性等問題，保護工人的人身安全和健康。

從數據準備到工藝過程仿真結果輸出，是一系列仿真標準體系文件及操作規范的支撐。工藝規劃輸出結構化工藝結果，工藝裝配驗證輸出仿真分析報告、干涉分析報告、工藝時序圖等，通過人工操作驗證，關注人因過程及操作安全，輸出各項人因健康及安全相關報告，指導現場生產，從設計端考慮人員操作安全等。同時，通過山地路徑建模模擬可模擬風電運輸過程中葉片舉升車在艱難山路行駛情形，通過實體NX建模規劃山地路徑，后續可通過直升機3D點云成像直接生成，在軟件中定義舉升車設備運動及物流規劃，通過實體間最小距離保證葉片翼型與山體不干涉，完成關鍵路徑葉片舉升車各節點舉升角度和轉彎角度，保證物流運輸順暢，提前指導運輸道路規劃。車間及風場仿真工藝示意圖如圖2。

圖2 車間及風場仿真工藝示意圖

4 裝配過程中人因工程的仿真分析

當前，隨著科技的進步和發展，對于操作工人的人性化換壞工藝過程中很重要的就是人機工程仿真，可以進行人體可達性分析、可視性分析，通過人的視角可視化工具工作狀態，檢測工具合適性，人體工程學分析（姿勢、疲勞等）分析人體工作時的舒適性；人體與產品碰撞干涉，優化人體工作空間；通過人因工程分析，提供安全的工作環境保證員工的身心健康。仿真分析完成會輸出電氣風電人體工程學報告，針對工作姿態、下背部受力、搬運受力、可視性分析及快速上肢評估分別出具相關報告，指導設計及工藝過程更新。人因分析可以分為以下幾種：

（1）人體姿勢分析：人體姿勢分析被認為是對各種工作場景的操作姿態進行人機分析的有效且容易實現的方法，因而后來在工業領域得到廣泛的應用，可快速檢查工作姿態，評價任務周期內所有工作姿態的舒適度，并指示需要采取糾正措施的緊迫性，從而快速評估某種工作姿態對工人造成損害或傷害的可能性大小，可以確定最需優先改進的工作姿勢，以符合人體工程學的需要。

（2）下背部受力分析：下背部受力分析可以分析特定操作下脊椎受力對下背部的影響是否符合標準，是否會令工人下背部的受傷概率增加。分析可以給出哪些任務最需要進行人因方面改進，從而對工廠車間的布局規劃和工序進行安排來減小員工下背部受損的風險。

（3）搬運受力分析：搬運受力分析主要旨在分析員工雙手搬起重物時的受力情況，得出一個搬運指數，然后，與允許的搬運指數相比，進而了解工人搬運過程的動作是否合理，以幫助避免或減輕員工背部損傷。

RWL=23kg(25/H)(1-0.003|V-75|)x(0.82+4.5/D)FM(1-0.0032A)CM。

H：搬舉起始或終止時，手掌中心距兩踝關節中間的水平距離(cm)；V：搬舉起始或終止時，手掌距地面的垂直距離(cm)；D：搬動起始與終止時的垂直距離(cm)；FM：搬動頻率參數(根據頻率確定不同的系數)；A：偏離矢狀面的角度(度)；CM：物體易抓參數(根據難易確定為 1.0，0.95，0.90)。

(提舉指數)：LI=實際提舉重量/RWL。

如果LI(提.舉指數)大于1.0，提示當前工作狀態可能構成對作業人群的危害。

如果LI(提舉指數)大于3.0，則危害明顯增加。

（4）快速上肢評估：快速上肢評估評估是否需要干預以降低因體力負荷而造成傷害的風險。對于手動任務，RULA：根據姿勢、肌肉使用、負載重量、任務持續時間和頻率評估上肢受傷的風險。為評估的任務分配一個分數，表明降低傷害風險所需的干預程度。

RULA可用于：

①快速評估手動任務是否有可能使工人面臨上肢受傷的風險。

②設計新的手動任務或指導重新設計現有任務。

③確定需要最緊急關注以進行人體工程學修改的手動任務并確定其優先級。

綜上，用實際數據的結果，從各個方面去評估人因水平，根據結果進行相關整改，提升風電整體裝配人因關懷度，完成工藝精細化及人性化深入發展。

5 結語

本文通過Process simulate工藝仿真軟件在風電工藝領域仿真設計中應用特點及仿真設計流程進行說明，探討了其在風電工藝仿真領域探索的應用，通過車間裝配、風場安裝、物流運輸、人因動作等仿真過程，最后得到仿真分析報告、干涉分析報告、工序人因報告、工藝時序圖等仿真結果。實踐案例完善了風電領域工藝仿真的技術應用，開拓了風電工藝仿真技術的開發應用新業務場景，為提高和優化風電行業工藝的效率提供新方法，為風力發電領域的進一步發展提供理論依據。