基于PAM-RTM的風輪葉片真空輔助灌注仿真研究

李 東，王藝璇，范海光，梁文瑞，楊朋飛，毛水蓮

（1.國材（北京）檢測認證服務有限公司，北京 100037；2.北京鑒衡認證中心有限公司，北京 100013；3.中材科技風電葉片股份有限公司，北京 100192；4.華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京 100872）

0 引言

隨著陸地低風速風場和海上風場的進一步開發，風電葉片的外形尺寸變得越來越大，葉片翼型也越來越復雜。在制品開始灌注直至灌注結束的過程中，樹脂在風輪葉片殼體內的流動時間及流動液面趨勢的預測顯得尤為重要，準確地設計和預判樹脂的流動時間及流動液面趨勢對于樹脂在凝膠前充滿整個殼體，并減少發生應包圍產生的纖維干斑或干紗起著關鍵性的作用。

在風輪葉片殼體纖維織物鋪設過程中，纖維織物由葉片根部向葉片尖部移動的過程中，由于外力的影響通常會發生形變，引起織物局部厚度的變化，隨之滲透率也發生了變化，從而改變了樹脂在纖維織物中預期的流動浸潤方式，相同區域局部不同的浸潤速度形成了干斑等缺陷。近些年來，成天健等[1]研究了織物受外力變形對局部滲透率產生的影響，得到了一些規律，但有關局部滲透率變化對VARI 工藝樹脂在纖維織物的流動過程影響的研究還很少，尤其是利用模擬手段分析風輪葉片纖維織物局部滲透率變化對灌注過程的影響，目前尚未查閱到相關資料[2]。

注膠口、抽氣口、樹脂收集口的位置、流道整體布置、模具預熱溫度、樹脂溫度、樹脂黏度、纖維織物在灌注前的溫度、制品真空壓力、制造商所處地理位置大氣壓等諸多工藝參數都會影響到風輪葉片最終的成型質量，而其中殼體的流道整體設計是風輪葉片VARI 工藝中關鍵質量控制點之一，流道整體設計合理不僅可以避免局部浸潤不良等質量缺陷的形成，而且還可以有效縮短殼體灌注時間，減少因灌注時間過長引發的風險[3]。通過工藝性實驗來確定流道整體設計是否合理，增加了原材料成本和人工成本，因此本文通過計算機仿真軟件來實現VARI 灌注流道的設計，并通過對風輪葉片翼型曲面構件樹脂流動規律的研究，得出風輪葉片VARI 流道設計的一些規律。利用PAM-RTM[4]、CATIA和Patran2013等仿真軟件來模擬VARI工藝制備風輪葉片樹脂的流動過程，找出不同流道設計的異同點，進而優化工藝參數，指導生產。

1 真空輔助樹脂傳遞模塑成型

1.1 定義

樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝由于受到原材料種類及其性能等方面的影響，很難滿足大尺寸部件及厚壁結構制品的生產要求和使用要求。近些年來，國外學者和專家聯合研制開發了真空輔助RTM 工藝（Vacuum-Assisted Resin Infusion Molding），簡稱VARI[5]。與早期的RTM 工藝[6]相對比，制作制品模具及制品纖維材料中的樹脂含量得到了有效降低，相反則帶來了制品纖維含量顯著增長，最大可達75%～80%。在樹脂含量得到有效降低的同時，也降低了制作制品模具和制品的成本，給制造商減輕了原材料成本負擔。同時在使用這一工藝的過程中，由于制品有真空膜覆蓋，在樹脂流動及固化過程中減少了有機物的揮發，滿足了政府、社區及居民等相關方對生態環境保護的相關要求，同時在真空輔助的幫助下，制品成型外形良好，厚度均勻。采用VARI 工藝制造的單支風輪葉片制品，最大表面積（m2）從早期的十位數發展到百位數，厚度也得到了顯著了增長。基于上述的優點，這一技術得到了快速推廣，國內的風輪葉片制造商也陸續采用了該項技術。

真空輔助樹脂傳遞模塑成型作為一種典型的低人工成本和低材料成本的成型工藝技術，目前已廣泛應用于國內外復合材料制品的成型過程中，VARI成型工藝與一些其他傳統工藝相比，具有一次性成型的優點：既可以成型大型的復合材料部件，也可以成型小型復合材料部件，尤其在成型結構形狀較復雜的部件顯現出了較大的優勢；VARI 成型工藝生產的部件樹脂含量均勻，更有利于控制部件的整體性能，同時減少了成型工藝周期；設備和工藝成本相對不高，也可以滿足環境保護的需求。

1.2 設計原則

VARI工藝最常用的灌注方式有點灌注、線灌注、外圍灌注及混合灌注等，在設計灌注口[7]、抽氣口和樹脂收集位置時通常需要考慮到以下情況，這也是設計整體流道時需要遵守的原則。

（1）不同的灌注方式對應樹脂在制品中不同的流動模式，如點灌注，樹脂的液面由灌注點中心逐漸向周邊擴散；線灌注，樹脂從制品的一端向另一端流動；混合灌注過程中樹脂的流動模式較為復雜，需同時考慮到點、線灌注過程的相互作用，從而找出一些規律。

（2）進出口的數量及位置的不同，樹脂流動方式及充滿整體制品的時間也存在著不同。—般情況下，注膠口越多，充滿整體制品所需的時間就越短，所以相對于點灌注，線灌注擁有更多的灌注點，灌注效率也隨著提高。

（3）抽氣口的設計需要保證樹脂可以浸潤整個殼體，完全滲透殼體的纖維織物。抽氣口應放置在距離注膠口最遠的區域，根據殼體不同區域形狀的不同可以設計多個注膠口和抽氣口，在可能出現質量缺陷的位置設置抽氣口，以降低質量風險。

（4）流道整體布置。樹脂流道分為主流道和輔助流道。主流道由注膠口和樹脂流動管路組成，其作用是將樹脂引流至輔助流道。輔助流道主要由導流網等導流介質組成，其作用是將主流道流動的樹脂引流至纖維增強材料表面，直至完成浸潤。

2 風輪葉片VARI工藝仿真模擬方案與參數設定

要完成風輪葉片VARI 工藝仿真，首先需要對原材料纖維織物和樹脂的工藝參數進行測量，其中采用旋轉黏度計測量樹脂黏度[8]，滲透率作為纖維織物固有的參數，可根據Darcy 定律通過專用的設備進行測量，也可根據工藝性實驗估算纖維織物的滲透率值。

本文要模擬的對象是風輪葉片中帶有翼型的曲面結構部件，部件的規格如圖1 所示，模擬過程中需要輸入的材料參數及工藝條件如表1所示。

表1 模擬輸入的材料參數及工藝條件

圖1 翼型構件形狀及尺寸

仿真模擬采用的方案主要有兩種，如圖2 所示，圖中的圓孔為注膠口，紅線為灌注管路。

圖2 殼體灌注仿真方案

3 風輪葉片VARI工藝仿真模擬步驟

對樹脂充滿整個殼體過程的模擬，主要步驟如下：

（1）采用CATIA 軟件，按照圖1 中構件的規格進行建模，得到構件的CAD 模型，輸出得到后續模擬中所支持的part或model文件。

（2）將得到的文件導入PATRAN 軟件中，經過網格劃分得到構件的有限元網格模型。在進行有限元劃分時，需要根據構件形狀的復雜程度進行網格疏密的劃分，如圖3所示。

圖3 PAM-RTM分析的網格文件

（3）將有限元網格模型導入到PAM-RTM 軟件中，并對相應的參數進行設置，包括樹脂黏度、纖維織物的面密度、滲透率、孔隙率、注膠口和抽氣口對應的壓力等[8]。輸出充滿這個殼體的時間分布和壓力分布。

4 風輪葉片VARI工藝仿真模擬結果分析

模擬所得不同灌注方案下，充滿整體制品過程最先填充的地方即注膠口位置顏色最深，最后完成灌注的區域顏色也較深，從而可以考察充滿整個殼體過程中樹脂液面不斷變化的位置，為注膠口和抽氣口位置的確定提供依據。

方案1 中采用的是線灌注，樹脂以線狀平移前進，開始階段由于殼體與外界壓力差較大，樹脂流速較快，隨著時間的推移，殼體與外界的壓力差趨于平衡，樹脂流速越來越慢，直至灌注完成[9]。方案2中采用的是點灌注，由于注膠口到四周距離即樹脂流程明顯縮短，故所需的充滿整個殼體的時間也明顯縮短，但是由于抽氣點放置的位置互相干涉，產生了包圍區域[10]。

從仿真結果的相關數據可以看出，從注膠口到抽氣口壓力呈梯次逐漸降低，離注膠口越遠壓力越小，否則反之。因此，抽氣口應該置于離注膠口最遠的位置。

在風輪葉片VARI 工藝中，通過仿真結果可以分析樹脂的流動情況及殼體不同區域壓力分布的情況，不難找出樹脂液面最終的匯集點及可能發生融合干涉的區域，這為確定抽氣口位置的確定提供了科學的手段[11]。

如圖4 所示，本次仿真中，方案1、方案2 樹脂最后到達的位置為離注膠口較遠的深色部位，故在實際充滿整體制品時抽氣口的設計應該在此部位。這樣才能保證樹脂能夠到達模腔的各個角落，而不至于在未浸潤的情況下樹脂提前進入抽氣口，導致抽氣功能失效，產生干斑、氣泡夾雜等質量缺陷[12]。

圖4 仿真結果分析

5 結束語

通過仿真軟件模擬風輪葉片殼體灌注過程，可以找出合理的灌注方式，直至得到完全消除缺陷的制品，并由此得出滿足風輪葉片VARI 工藝灌注流道設計的重要原則，為制品的研發階段和批量生產階段提供了技術指導和理論依據，并大大降低了頻繁地進行工藝性實驗所帶來的巨大的成本。具體特點如下。

（1）較厚鋪層及翼型曲面結構的模擬結果和先前的工藝性實驗結果基本吻合，表明模擬仿真能較好地預測VARI工藝樹脂充滿整個殼體的過程，可為殼體生產提供指導，具有低成本和高效率等特點。

（2）抽氣口位置的設定直接決定了樹脂在玻纖中的流動方向；合理地布置抽氣口還可以有效避免樹脂在流動中的相互干涉，降低干斑、干紗等質量缺陷出現的概率。

（3）PAM-RTM 科學地預測了模腔中壓力的分布、充滿整個殼體的時間、抽氣口位置的設計以及相關灌注流道的布置。

（4）極大地降低了生產風險，避免了樣件制作時投入的人力、物力，有效地降低了生產成本。