基于3D MAX和Bentley系列軟件的風(fēng)電塔筒工藝流程可視化研究

祝亞倫 郭乾申 董澤鑫 惠 冰

（上海電力機械有限公司，上海 200245）

隨著“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的提出，在大力推進綠色低碳、科技創(chuàng)新的形勢下，新能源事業(yè)蓬勃發(fā)展。世界能源結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷著重大變革[1]，風(fēng)能作為可再生資源，地位越來越重要。風(fēng)機塔筒起到支撐整個風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵性作用。結(jié)合公司實際需求和市場環(huán)境，針對風(fēng)機塔筒進行工藝流程的可視化研究十分必要。本文以某6.x風(fēng)電機型塔筒為例，通過3D MAX和Bentley系列軟件，對該機型塔筒工藝流程進行可視化研究，并將其應(yīng)用于工程人員之間的技術(shù)交流，使生產(chǎn)制造過程更加直觀，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過對各工序間進行可視化研究，使之流轉(zhuǎn)更協(xié)調(diào)配合，銜接更緊密，提高了生產(chǎn)效率。

1 塔筒工藝流程

風(fēng)電塔筒的工藝流程與質(zhì)量控制十分重要[2]。它的主要工藝流程為“劃線下料→卷制成型→縱縫焊接→回圓矯正→法蘭與筒體組對焊接→噴砂除銹→油漆涂裝→內(nèi)附件安裝”。

2 可視化制作

在Bentley系列軟件中，將加工使用的機械設(shè)備以及相關(guān)產(chǎn)品建立三維模型導(dǎo)入3D MAX中，根據(jù)工藝流程進行可視化制作。

2.1 劃線下料

基于3D MAX進行下料工藝演示時，需要預(yù)先建立工件模型、需要的加工設(shè)備及加工車間等。目前，風(fēng)電塔筒的下料基本采用數(shù)控火焰切割機[3]，切割鋼板等金屬材料。數(shù)控火焰切割機如圖1所示。

將建好的模型導(dǎo)入3D MAX中進行鋼板下料動畫制作。先對數(shù)控火焰切割機模型中的各部件通過動作分析分成不同的動作組，每個組內(nèi)的部件在整個組中為子集與父集的關(guān)系。根據(jù)數(shù)控火焰切割機的加工流程制定動畫腳本，再根據(jù)腳本對建立的模型加以動作及幀。3D MAX中每一個模型均可以加以動作及幀，根據(jù)動畫腳本在不同的幀數(shù)給有動作變換的模型加以X、Y、Z軸上的移動、旋轉(zhuǎn)及縮放等動作，制作一段幀數(shù)內(nèi)的動畫。

通過SuperSpray調(diào)整粒子的發(fā)射速率、偏移、粒子種類及大小等參數(shù)，以調(diào)整粒子噴射的形狀及樣式，加以動作以模擬數(shù)控切割機割槍的火焰噴射。鋼板下料完成后，需開坡口。在Bentley系列軟件中，利用OpenBuildings Designer建立鋼板坡口切割機模型，并將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成交互文件fbx導(dǎo)入3D MAX。制作鋼板開坡口的動畫，如圖2所示。

圖1 數(shù)控火焰切割機

圖2 鋼板開坡口

2.2 卷圓焊接

風(fēng)電塔筒的橢圓度、直線度控制和合理裝配，是整個塔筒建造過程中的難點和重點。相關(guān)的工藝控制直接影響整個產(chǎn)品的品質(zhì)[4]。筒節(jié)的卷制過程需要建立卷圓機、回圓機等設(shè)備模型。卷圓過程中應(yīng)注意，筒節(jié)卷制方向應(yīng)和鋼板的軋制方向一致，卷圓完成后進行縱縫焊接。塔筒的縱縫組對有著嚴(yán)格的技術(shù)要求，需控制筒體對接間隙為0.5～2.0 mm，錯邊量不超過1 mm。它的技術(shù)及檢驗要求通過After Effects進行標(biāo)注，并通過后期Premiere Pro剪輯加入到動畫演示中，以達到重點強調(diào)的作用，避免因加工不規(guī)范而導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量不過關(guān)。

縱縫焊接前先用砂輪打磨去除坡口內(nèi)雜物、銹斑和油污等，露出金屬光澤后進行施焊。卷制對接點先點焊再采用自動埋弧焊進行施焊。施焊過程采用焊槍模型和SuperSpray噴射粒子進行模擬，如圖3所示。

圖3 縱縫焊接噴射粒子模擬圖

待筒節(jié)縱焊縫充分冷卻后，筒節(jié)需要進行二次校圓，如圖4所示。筒節(jié)校圓時，需要重點測量筒節(jié)的弧度以及大、小口的各方向直徑差等。檢驗要求通過After Effects制作，并加入到工藝流程動畫中。

圖4 二次校圓過程圖

2.3 法蘭與筒體組對焊接

風(fēng)力發(fā)電高塔中，塔筒是風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)部件。因為塔筒的體積過大，制造時需要進行分段制造，然后用法蘭將塔筒的分段進行連接。若在法蘭與筒體的組對焊接過程中出現(xiàn)了細節(jié)失誤或手法錯誤會導(dǎo)致法蘭變形，影響塔筒的焊接質(zhì)量。

法蘭與第一筒節(jié)在豎直情況下與法蘭點焊牢固，焊點呈環(huán)狀分布。在3D MAX中，筒節(jié)相應(yīng)位置分別加入不同時間段噴射的超級噴射粒子，模擬點焊過程，如圖5所示。在Bentley中建立滾輪架的三維模型，將其導(dǎo)出成交互文件fbx文件格式導(dǎo)入3D MAX。在文件導(dǎo)入3D MAX時，需要注意統(tǒng)一坐標(biāo)系和單位問題。筒節(jié)置于滾輪架，將筒節(jié)與筒節(jié)之間組對，分組施焊，組對成塔筒，如圖6所示。

圖5 法蘭與筒節(jié)點焊圖

圖6 筒節(jié)與筒節(jié)組對施焊圖

2.4 噴砂除銹

風(fēng)電塔筒的防腐是工藝流程中極為重要的一環(huán)。所有的噴涂表面必須在塔筒及筒壁連接的附件焊接完畢后整體進行噴砂除銹。該工序中需要的廠房、塔筒以及運輸車輛等三維模型通過OpenBuildings Designer軟件進行構(gòu)建，再通過FBX交換文件格式導(dǎo)入3D MAX。需要注意單位換算，高級選項中的單位應(yīng)勾選“毫米”。導(dǎo)入模型后，根據(jù)實際情況制作模型關(guān)鍵幀，通過Premiere Pro對噴砂工序的技術(shù)要點難點添加文本字幕進行說明，同時要求噴砂防銹表面達到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T 8923—1988）標(biāo)準(zhǔn)中的Sa2.5級規(guī)定。噴砂結(jié)束后，應(yīng)盡快涂裝第一道底漆。

2.5 油漆涂裝

噴砂除銹完成后，對塔筒進行油漆涂裝。該機型塔筒制造采用4道油漆涂裝，分別為環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵漆中間漆、聚氨酯面漆以及氟碳面漆。對于同一單元部件，只允許使用同一涂料供應(yīng)商提供的涂料產(chǎn)品。

通過OpenBuildings Designer軟件進行動畫模型的三維建模，再導(dǎo)入3D MAX中制作關(guān)鍵幀。采用封閉式車間涂裝施工，以便有效控制涂裝環(huán)境和施工條件，確保涂裝質(zhì)量。運用3D MAX中的材質(zhì)編輯器對塔筒進行材質(zhì)賦予操作，表現(xiàn)油漆涂裝完畢的顏色狀態(tài)，克隆塔筒，將噴砂狀態(tài)的塔筒在油漆涂裝結(jié)束后的可見度設(shè)置為0。油漆涂裝完畢后，將塔筒運至內(nèi)附件安裝的堆場。

2.6 內(nèi)附件安裝

風(fēng)電塔筒內(nèi)附件安裝時，避免在筒體內(nèi)部硬拖、碰撞，以防造成塔筒內(nèi)壁損傷[5]。該機型塔筒底段配備4層平臺，二段、三段配備1層平臺，頂段配備2層平臺。通過OpenBuildings Designer軟件構(gòu)建的塔筒、內(nèi)附件零件等三維模型導(dǎo)入3D MAX，運用材質(zhì)編輯器賦予各部分對應(yīng)的顏色貼圖，并可用外部圖片直接將其拖拽復(fù)制到材質(zhì)球上進行設(shè)置貼圖。將塔筒模型通過編輯網(wǎng)格模式分離成兩部分。在內(nèi)附件安裝關(guān)鍵幀制作過程中，一部分塔筒模型可見度逐漸消失為0，此時內(nèi)部的內(nèi)附件便清晰展示在鏡頭畫面中。待內(nèi)附件安裝完畢，塔筒所有部分可見度恢復(fù)為1，完成內(nèi)附件安裝工序，如圖7所示。

圖7 內(nèi)附件安裝示意圖

3 現(xiàn)場實際與可視化對比展示

以某6.x風(fēng)電機型塔筒制作工藝為例進行可視化研究。目前該項目已經(jīng)完成，現(xiàn)將一個現(xiàn)場實際與可視化截圖對比進行展示，如圖8和圖9所示。

圖8 現(xiàn)場實際圖

圖9 可視化截圖

4 結(jié)語

基于3D MAX和Bentley系列軟件的風(fēng)電塔筒工藝流程可視化研究，已應(yīng)用于某塔筒制造項目的相關(guān)人員培訓(xùn)、技術(shù)交底、生產(chǎn)車間的調(diào)度配合及虛擬制造驗證工藝等方面。通過此項技術(shù)可進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量合格率，縮短生產(chǎn)制作周期，降低生產(chǎn)成本，提高公司產(chǎn)品在市場中的競爭力，并對同類型項目具有一定的參考價值。