基于NX二次開發(fā)的風(fēng)電葉片模具鋼架設(shè)計(jì)

謝大軍，江一杭，易 華，黃玉濤

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

當(dāng)前，取代煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源的新型能源的開發(fā)利用越來越受人們的重視，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展迅猛。風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，每次產(chǎn)品的更新?lián)Q代都伴隨著模具的準(zhǔn)備工作，其中模具鋼架的設(shè)計(jì)就具有重復(fù)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，因此可以利用NX的二次開發(fā)來進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，提升工作效率。

1 模具鋼架結(jié)構(gòu)

風(fēng)電葉片的幾何外形結(jié)構(gòu)相似，但幾何尺寸差異較大，如圖 1所示；風(fēng)電葉片的殼體模具一般分為吸力側(cè)(SS)、壓力側(cè)(PS)2部分，如圖 2所示。風(fēng)電葉片曲面模具的主體結(jié)構(gòu)一般分為玻璃鋼型面制作、鋼架制作2部分。SS、PS側(cè)模具具有相似的陰模結(jié)構(gòu)，因此對(duì) SS、PS側(cè)均采用相似的鋼架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括 4個(gè)主要部分：①截面方管框架；②軸向斜撐；③軸向方管梁；④軸向圓管梁。

圖1 不同長(zhǎng)度的風(fēng)電葉片幾何外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric configuration of wind turbine blades with different lengths

圖2 風(fēng)電葉片SS、PS側(cè)分開視圖Fig.2 Separate view of SS and PS side of wind turbine blade

2 NX二次開發(fā)思路

西門子在2012年10月發(fā)布了NX8.5，與此同時(shí)新增了一種二次開發(fā) API模式——SNAP，其 NX二次開發(fā)程序是在.net環(huán)境下使用 SNAPBlockForm Application模板快速開發(fā)的。以下 3個(gè)程序是針對(duì)鋼架設(shè)計(jì)及有限元計(jì)算專門編寫的。

①鋼架及鋼架的抽象曲線繪制。功能：根據(jù)葉片外形 3D模型、截面框架位置文件及設(shè)置好的鋼架底面高度，自動(dòng)生成鋼架及鋼架抽象曲線，鋼架抽象曲線針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)生成到不同的圖層中，以方便有限元計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格劃分。

②對(duì)模具型面進(jìn)行分割縫合。功能：在型面材料屬性賦值時(shí)，對(duì)不同區(qū)域的模具型面賦值不同的附加葉片質(zhì)量。

③網(wǎng)格收集器批量創(chuàng)建。功能：可根據(jù)葉片的線密度，一次性將所有需要的網(wǎng)格收集器創(chuàng)建完畢。

PS側(cè)模具進(jìn)行鋼架截面位置定義：首先通過葉片線密度、模具線密度及鋼架重量分布估算翻轉(zhuǎn)臂位置；規(guī)則為，按翻轉(zhuǎn)臂進(jìn)行分段，單個(gè)翻轉(zhuǎn)臂翻轉(zhuǎn)重量不超過14t，單側(cè)連接翻轉(zhuǎn)臂段不超過17m。

利用開發(fā)程序①生成鋼架(圖 3)及有限元計(jì)算所需的抽象曲線(圖4)。

圖3 風(fēng)電葉片模具鋼架(隱藏曲線)Fig.3 Die steel frame for wind turbine blade(hidden curve)

圖4 風(fēng)電葉片模具鋼架抽象曲線(隱藏體)Fig.4 Abstract curve of die steel frame for wind turbine blade(hidden body)

3 鋼架的有限元計(jì)算

3.1 分割曲面

如圖 5所示，利用程序②對(duì)曲面進(jìn)行分割并縫合。

圖5 型面分割并縫合Fig.5 Split and suture of profile

3.2 快速有限元設(shè)置

利用程序③讀取殼體線密度文件、生成43個(gè)2D網(wǎng)格收集器；按照鋼架材料種類生成4個(gè)1D網(wǎng)格收集器。

3.3 有限元網(wǎng)格劃分

①鋼架曲線按照?qǐng)D層進(jìn)行1D有限元網(wǎng)格劃分。圖層設(shè)置如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖層Tab.1 Layers of different structures

②按照?qǐng)D層進(jìn)行1D有限元網(wǎng)格劃分(表2)。

③曲面按照 2D有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格收集器設(shè)置按線密度順序逐一設(shè)置。

④最后設(shè)置 1D Connection，選擇 Element Edge to Element Face，將圓管曲線與曲面進(jìn)行連接。

表2 有限元網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)材料設(shè)置Tab.2 Structural material settings of finite element mesh

3.4 約束、重力加載及有限元計(jì)算結(jié)果

①翻轉(zhuǎn)臂固定，重力朝型面上校核，最大位移18.43mm，位于葉尖；最大應(yīng)力 67.45MPa，位于翻轉(zhuǎn)臂位置(圖6、圖7)。

圖6 工況1的約束和重力加載Fig.6 Constraint and gravity loading under condition 1

圖7 工況1的位移和應(yīng)力云圖Fig.7 Displacement and stress cloud diagram under condition 1

②翻轉(zhuǎn)臂固定，重力朝前緣方向上校核，最大位移 31.7mm，位于葉尖；最大應(yīng)力 83.77MPa，位于翻轉(zhuǎn)臂位置(圖8、圖9)。

③翻轉(zhuǎn)臂固定，重力朝型面下校核，最大位移18.43mm，位于葉尖；最大應(yīng)力 67.45MPa，位于翻轉(zhuǎn)臂位置(圖10、圖11)。

圖8 工況2的約束和重力加載Fig.8 Constraint and gravity loading under condition 2

圖9 工況2的位移和應(yīng)力云圖Fig.9 Displacement and stress cloud diagram under condition 2

圖10 工況3的約束和重力加載Fig.10 Constraint and gravity loading under condition 3

圖11 工況3的位移和應(yīng)力云圖Fig.11 Displacement and stress cloud diagram under condition 3

3.5 有限元分析結(jié)論

①該鋼架位移及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度安全系數(shù)(345MPa/84MPa＝4.1)滿足設(shè)計(jì)要求，變形最大的位置在葉尖，工況 2最大位移超過了 20mm，可通過調(diào)整翻轉(zhuǎn)臂位置減小葉尖自由段的長(zhǎng)度來優(yōu)化鋼架。

②通過二次開發(fā)生成的有限元文件不容易發(fā)生人為失誤，模型創(chuàng)建后可一次通過有限元計(jì)算，對(duì)傳統(tǒng)方式會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)連接錯(cuò)誤等問題，要經(jīng)過多次更正后才能通過有限元計(jì)算。

③通過二次開發(fā)輔助有限元計(jì)算，大約 2h就可完成，傳統(tǒng)有限元計(jì)算至少需 2d時(shí)間，因此二次開發(fā)輔助計(jì)算方式效率更高。

④本有限元計(jì)算涵蓋了模具型面結(jié)構(gòu)，較單純計(jì)算鋼架結(jié)構(gòu)更利于指導(dǎo)實(shí)際模具制作。

4 結(jié) 論

①本論文實(shí)現(xiàn)了利用 NX二次開發(fā)的方式進(jìn)行殼體鋼架設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了鋼架與模具型面結(jié)構(gòu)同步有限元計(jì)算，較單純的鋼架有限元計(jì)算更利于指導(dǎo)實(shí)際模具制作。

②通過NX二次開發(fā)可批量繪制風(fēng)電葉片鋼架，快速進(jìn)行 NX有限元計(jì)算，提升新產(chǎn)品開發(fā)工作的效率。

③有限元計(jì)算結(jié)果表明，本文中的葉片模具鋼架結(jié)構(gòu)可滿足使用要求，但仍有優(yōu)化空間。例如：葉尖的應(yīng)力變形較大，可調(diào)整翻轉(zhuǎn)臂的位置，減小葉尖段模具的長(zhǎng)度。