風(fēng)電葉片鋪層模擬在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

鄭舜澤，張 朋

（洛陽(yáng)雙瑞風(fēng)電葉片有限公司，洛陽(yáng) 471039）

0 前言

隨著搶裝潮的到來，風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)的激烈，風(fēng)電葉片的平價(jià)和生產(chǎn)效率是現(xiàn)今乃至未來市場(chǎng)的主流，所以越來越多的新型葉片流入市場(chǎng)。在這些風(fēng)電葉片研發(fā)生產(chǎn)過程中，除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)控制葉片質(zhì)量、選擇葉片材料、合理優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)外，工藝設(shè)計(jì)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(fēng)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(yù)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(zhuǎn)實(shí)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(guān)鍵，任何虛粘漏粘乃至膠層過厚都會(huì)大大影響葉片產(chǎn)品的抗載荷能力進(jìn)而影響使用壽命［1］。所以在新葉型開發(fā)階段，如何準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)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(zhì)量、開發(fā)成本的關(guān)鍵。

在設(shè)計(jì)上述模具時(shí)，多結(jié)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(jì)算相關(guān)模具數(shù)據(jù)，往往計(jì)算出的模具和socket數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，在生產(chǎn)過程中常常需要反復(fù)調(diào)節(jié)，并影響試制測(cè)試樣片的質(zhì)量，尤其是后緣區(qū)域有存在UD錯(cuò)層、芯材倒角等，非常復(fù)雜且不易精確掌握，這對(duì)后緣粘接角、socket、后緣腹板帶來了較大困難，這時(shí)候往往需要借助葉片鋪層模擬，將葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(fù)合材料模塊中都是非常繁瑣且易出錯(cuò)的工作，對(duì)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(guó)Robert McNeel公 司 推 出 的 一款強(qiáng)大的三維建模軟件，廣泛應(yīng)用于CAD、CAM等工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)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(guān)的插件開發(fā)，各行業(yè)的專業(yè)插件應(yīng)運(yùn)而生：建筑插件EasySite、機(jī)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(shè)計(jì)者提供便利。

與其他行業(yè)專用插件一樣，Bladedesk是針對(duì)風(fēng)電葉片行業(yè)開發(fā)的鋪層模擬專業(yè)軟件，其操作簡(jiǎn)單，易上手，只需掌握簡(jiǎn)單的語(yǔ)言格式，即可將葉片結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入軟件，即可查看葉片任意位置鋪層結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)開發(fā)、模具設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)輪廓線來模擬鋪層結(jié)構(gòu)，其中運(yùn)行軟件需要輸入4個(gè)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(guān)鋪層數(shù)數(shù)據(jù)、錯(cuò)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(jié)構(gòu)的位置。

圖1 BladeDesk操作界面

待一切輸入軟件后，如果沒有錯(cuò)誤，軟件會(huì)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(fù)雜程度。

圖2 鋪層模擬完成圖

1.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇

鋪層模擬的準(zhǔn)確性除了定位、錯(cuò)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(duì)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究也尤為重要。

以某款69 m葉片為例，該風(fēng)電葉片的主要鋪層結(jié)構(gòu)包括內(nèi)蒙皮、外蒙皮、UD和大梁、根部過渡層和加強(qiáng)層；其中內(nèi)蒙皮和外蒙皮由于層數(shù)較少，往往使用理論厚度計(jì)算即可取得較為精確的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于UD和大梁使用的UD-1250以及根部過渡層和加強(qiáng)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(shí)際設(shè)計(jì)過程中，固化后的層合板厚度主要通過公式（1）計(jì)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(zhì)量（對(duì)于UD-1250，取值1250），g/cm3；

V1——對(duì)應(yīng)玻纖布的體積分?jǐn)?shù)，%。

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

表1 制品含膠量測(cè)試數(shù)據(jù)

已有研究表明，層合板鋪層層數(shù)會(huì)影響最終層合板的纖維體積質(zhì)量，隨著層數(shù)的增加，纖維體積增加導(dǎo)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(zhì)量的數(shù)學(xué)模型［3-4］以及我司實(shí)測(cè)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(jié)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(shè)計(jì)要求以及粘接質(zhì)量，膠黏劑的理論厚度常常設(shè)置為4 mm［5］。

2 新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 腹板粘接區(qū)間隙控制

精確的鋪層模擬的結(jié)果會(huì)大大優(yōu)化我們工藝設(shè)計(jì)人員的工作效率和工作準(zhǔn)確度。以某款69 m葉片為例，設(shè)計(jì)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(yàn)每隔半米截取為佳［6］；由于根部0~5 m區(qū)域螺栓加強(qiáng)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(zhǔn)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(yán)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(cè)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(shè)計(jì)間隙擬合，SS側(cè)間隙整體較小與主腹板放置在SS面有關(guān)［7］，除了個(gè)別間隙較小和超過10 mm的位置需要微調(diào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)不同結(jié)構(gòu)但共模的葉型往往可以實(shí)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(nèi)，后緣UD預(yù)制件往往是通過錯(cuò)層搭接制成的，成品一般分為錯(cuò)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(guān)；若后緣腹板大部分定位在UD錯(cuò)層區(qū)域，則影響后緣腹板間隙的因素會(huì)有UD的定位精度、錯(cuò)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?cè)谏a(chǎn)制造時(shí)需要嚴(yán)格控制UD制品位置；并制作卡板，在UD鋪層時(shí)時(shí)刻監(jiān)控UD錯(cuò)層情況和錯(cuò)層區(qū)域斜邊的準(zhǔn)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(dòng)的情況，如圖4所示。

圖4 后緣腹板和后緣粘接角設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)socket芯材的形狀，并可以觀察并測(cè)量其他殼體粘接區(qū)域的間隙情況，如圖5所示。

圖5 socket設(shè)計(jì)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(diào)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(duì)此項(xiàng)工作提供了很大的便利性，結(jié)構(gòu)以及工藝設(shè)計(jì)人員只需要調(diào)整輸入?yún)?shù)即可快速查看調(diào)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(shè)計(jì)

3 結(jié)論與建議

（1）基于Rhino的鋪層模擬軟件BladeDesk具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋪層模擬模型生成工序簡(jiǎn)單，易上手，節(jié)約了大量新產(chǎn)品工藝開發(fā)的時(shí)間；該軟件生成結(jié)果不易出錯(cuò)，其生成的模型與實(shí)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(qiáng)工藝上腹板、后緣腹板、UD的定位精確度，結(jié)合鋪層模擬軟件針對(duì)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(dá)到了良好的效果，使該樣片首次合模間隙合格率達(dá)90%以上。這對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)過程中，提高測(cè)試樣片質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速量產(chǎn)化具有重要的作用。