風電葉片鋪層模擬在新產(chǎn)品開發(fā)中的應用

鄭舜澤，張 朋

（洛陽雙瑞風電葉片有限公司，洛陽 471039）

0 前言

隨著搶裝潮的到來，風力發(fā)電市場競爭越發(fā)的激烈，風電葉片的平價和生產(chǎn)效率是現(xiàn)今乃至未來市場的主流，所以越來越多的新型葉片流入市場。在這些風電葉片研發(fā)生產(chǎn)過程中，除了在結構設計時控制葉片質量、選擇葉片材料、合理優(yōu)化葉片結構外，工藝設計中的間隙控制、膠黏劑用量控制、生產(chǎn)效率控制也尤為重要。

風電葉片現(xiàn)多采用PS、SS合模粘接工藝，其主要粘接部分包括主腹板粘接區(qū)、前緣粘接區(qū)、后緣粘接區(qū)等，其中前緣粘接區(qū)和后緣粘接區(qū)多使用粘接角模具、socket芯材在SS面或PS面提前灌注成型，將后緣腹板和主腹板提前預制并在殼體合模前粘在殼體SS面或PS面。然后通過PS面模具翻轉實現(xiàn)與SS面殼體合模粘接。其中，粘接區(qū)是SS面、PS面兩殼體以及殼體與后緣腹板、主腹板傳遞載荷的關鍵，任何虛粘漏粘乃至膠層過厚都會大大影響葉片產(chǎn)品的抗載荷能力進而影響使用壽命［1］。所以在新葉型開發(fā)階段，如何準確地設計粘接角模具、socket芯材、后緣腹板模具、主腹板模具控制合模間隙和膠黏劑用量是控制葉片開發(fā)速率、開發(fā)質量、開發(fā)成本的關鍵。

在設計上述模具時，多結合葉模型尺寸數(shù)據(jù)、鋪層厚度數(shù)據(jù)以及膠黏劑理論厚度去計算相關模具數(shù)據(jù)，往往計算出的模具和socket數(shù)據(jù)不夠準確，在生產(chǎn)過程中常常需要反復調節(jié)，并影響試制測試樣片的質量，尤其是后緣區(qū)域有存在UD錯層、芯材倒角等，非常復雜且不易精確掌握，這對后緣粘接角、socket、后緣腹板帶來了較大困難，這時候往往需要借助葉片鋪層模擬，將葉片設計結構模擬在葉片模型之中，該工作無論在CAD軟件或是別的傳統(tǒng)三維軟件中的復合材料模塊中都是非常繁瑣且易出錯的工作，對新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝開發(fā)帶來困難。

1 鋪層模擬

1.1 Bladedesk軟件

Rhino是 由 美 國Robert McNeel公 司 推 出 的 一款強大的三維建模軟件，廣泛應用于CAD、CAM等工業(yè)設計當中，它自身的參數(shù)化建模功能為用戶提供了大量的二次開發(fā)的空間。隨著程序相關的插件開發(fā)，各行業(yè)的專業(yè)插件應運而生：建筑插件EasySite、機械插件Alibre Design、鞋業(yè)插件RhinoShoe、船舶插件Orca3D等，為各行各業(yè)的設計者提供便利。

與其他行業(yè)專用插件一樣，Bladedesk是針對風電葉片行業(yè)開發(fā)的鋪層模擬專業(yè)軟件，其操作簡單，易上手，只需掌握簡單的語言格式，即可將葉片結構信息導入軟件，即可查看葉片任意位置鋪層結構，對結構開發(fā)、模具設計、工藝設計帶來了巨大便利。

1.2 工作原理

BladeDesk主要利用了Rhino曲線曲面建模功能，通過偏置葉片結構輪廓線來模擬鋪層結構，其中運行軟件需要輸入4個文件：1.葉片模型：包含定義葉片的PS面、SS面、PS面拐角線和SS面拐角線（主要用來定位SS面的立面芯材）。2.殼體鋪層數(shù)據(jù)文件：包含腹板、大梁、UD、芯材定位數(shù)據(jù)、相關鋪層數(shù)數(shù)據(jù)、錯層數(shù)據(jù)等，如圖1所示。3.材料定義文件：包含材料名稱、類型、密度、單層層合板厚度、線條顏色等。4.截面提取文件：輸入你需要查看的模擬結構的位置。

圖1 BladeDesk操作界面

待一切輸入軟件后，如果沒有錯誤，軟件會生成用戶想要查看的截面，如圖2所示，其生成速度取決于用戶所要查看截面的數(shù)量及其復雜程度。

圖2 鋪層模擬完成圖

1.3 基礎數(shù)據(jù)的選擇

鋪層模擬的準確性除了定位、錯層等方面，很大程度上用戶所輸入的單層層合板厚度以及膠黏劑厚度選擇也非常的重要。所以為了使鋪層模擬更為精確，對相關基礎數(shù)據(jù)的研究也尤為重要。

以某款69 m葉片為例，該風電葉片的主要鋪層結構包括內蒙皮、外蒙皮、UD和大梁、根部過渡層和加強層；其中內蒙皮和外蒙皮由于層數(shù)較少，往往使用理論厚度計算即可取得較為精確的結構，但對于UD和大梁使用的UD-1250以及根部過渡層和加強層使用的3AX-1250等層數(shù)較多區(qū)域往往不能單純地使用理論厚度數(shù)據(jù)。

在葉片實際設計過程中，固化后的層合板厚度主要通過公式（1）計算：

式中：

h——單層層合板厚度，mm；

ρ1——玻纖密度，取值2.6 g/cm3；

Wf——玻纖布單位面積質量（對于UD-1250，取值1250），g/cm3；

V1——對應玻纖布的體積分數(shù)，%。

根據(jù)我司測試制品含膠量數(shù)據(jù)，如表1，可計算出理論厚度為0.843 mm。

表1 制品含膠量測試數(shù)據(jù)

已有研究表明，層合板鋪層層數(shù)會影響最終層合板的纖維體積質量，隨著層數(shù)的增加，纖維體積增加導致單層厚度降低［2］。根據(jù)已有研究給出的布層數(shù)與纖維體積質量的數(shù)學模型［3-4］以及我司實測的不同層數(shù)的層合板單層厚度數(shù)據(jù)擬合，得出表2的以下結論：

表2 層合板單層厚度修正值

在膠黏劑厚度方面，常要求控制在2~10 mm，而且越薄越好，為了符合設計要求以及粘接質量，膠黏劑的理論厚度常常設置為4 mm［5］。

2 新產(chǎn)品開發(fā)中的應用

2.1 腹板粘接區(qū)間隙控制

精確的鋪層模擬的結果會大大優(yōu)化我們工藝設計人員的工作效率和工作準確度。以某款69 m葉片為例，設計腹板模具過程中，需截取葉片鋪層模擬截面，截取的數(shù)量越多、間隔越近，所得到的腹板輪廓越精確，根據(jù)經(jīng)驗每隔半米截取為佳［6］；由于根部0~5 m區(qū)域螺栓加強層層數(shù)較多且終止位置間隔100~200 mm不等，所以為了腹板輪廓的準確性，需在根部每隔200 mm截取鋪層模擬模型截面。在生產(chǎn)過程中，嚴格控制模具輪廓誤差，控制腹板定位位置誤差和角度誤差，然后將腹板放置SS面殼體，上下每隔0.5 m放置橡皮泥測量間隙。該69 m葉片首支腹板上下間隙數(shù)據(jù)，如圖3所示。從間隙數(shù)據(jù)表中可以看出，主腹板上下間隙數(shù)據(jù)基本與設計間隙擬合，SS側間隙整體較小與主腹板放置在SS面有關［7］，除了個別間隙較小和超過10 mm的位置需要微調整，間隙合格率（2~10 mm）在90.5%左右。

圖3 某69 m葉型首支腹板上下間隙數(shù)據(jù)

2.2 后緣粘接區(qū)間隙控制

前緣粘接區(qū)域一般結構簡單，影響粘接間隙的因素主要是PS面芯材距邊尺寸和芯材倒角，所以前緣粘接角模具對不同結構但共模的葉型往往可以實現(xiàn)通用［8］；但后緣區(qū)域的間隙控制往往要比前緣粘接區(qū)域和主腹板都要困難得多，后緣腹板往往粘接在PS與SS面的UD區(qū)域內，后緣UD預制件往往是通過錯層搭接制成的，成品一般分為錯層區(qū)和平面區(qū)，若后緣腹板大部分在UD平面區(qū)域，則影響間隙的因素主要與UD整體厚度有關；若后緣腹板大部分定位在UD錯層區(qū)域，則影響后緣腹板間隙的因素會有UD的定位精度、錯層精度以及影響最大的后緣腹板本身定位精度，所以在修正了UD鋪層厚度后，我們在生產(chǎn)制造時需要嚴格控制UD制品位置；并制作卡板，在UD鋪層時時刻監(jiān)控UD錯層情況和錯層區(qū)域斜邊的準確度；以及利用定位工裝控制并固定小腹板定位，以防止后緣腹板在粘接過程中出現(xiàn)移位滑動的情況，如圖4所示。

圖4 后緣腹板和后緣粘接角設計

除了后緣粘接角和后緣腹板外，后緣粘接區(qū)還包括殼體粘接以及立面較大需要利用socket芯材填充并粘接。利用鋪層模擬軟件可以較為精確地設計socket芯材的形狀，并可以觀察并測量其他殼體粘接區(qū)域的間隙情況，如圖5所示。

圖5 socket設計和后緣殼體間隙控制

圖5中后緣殼體間隙區(qū)域明顯較大，一般可以通過調整UD定位尺寸、芯材定位尺寸、芯材倒角等方法整改，鋪層模擬軟件對此項工作提供了很大的便利性，結構以及工藝設計人員只需要調整輸入?yún)?shù)即可快速查看調整后的效果。

在完成上述工作后，該69 m葉片首支后緣區(qū)域間隙情況如圖6所示，間隙合格率（2~10 mm）在93.4%左右。

圖6 后緣腹板和后緣粘接角設計

3 結論與建議

（1）基于Rhino的鋪層模擬軟件BladeDesk具有以下優(yōu)點：鋪層模擬模型生成工序簡單，易上手，節(jié)約了大量新產(chǎn)品工藝開發(fā)的時間；該軟件生成結果不易出錯，其生成的模型與實際情況擬合程度較高。

（2）在修正大梁、UD等鋪層，單層層合板厚度數(shù)據(jù)后，再加強工藝上腹板、后緣腹板、UD的定位精確度，結合鋪層模擬軟件針對首支某69 m葉片腹板模具粘接區(qū)、后緣粘接區(qū)的間隙的控制達到了良好的效果，使該樣片首次合模間隙合格率達90%以上。這對新產(chǎn)品開發(fā)過程中，提高測試樣片質量，節(jié)約生產(chǎn)成本，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速量產(chǎn)化具有重要的作用。