风电叶片铺层模拟在新产品开发中的应用

郑舜泽，张 朋

（洛阳双瑞风电叶片有限公司，洛阳 471039）

0 前言

随着抢装潮的到来，风力发电市场竞争越发的激烈，风电叶片的平价和生产效率是现今乃至未来市场的主流，所以越来越多的新型叶片流入市场。在这些风电叶片研发生产过程中，除了在结构设计时控制叶片质量、选择叶片材料、合理优化叶片结构外，工艺设计中的间隙控制、胶黏剂用量控制、生产效率控制也尤为重要。

风电叶片现多采用PS、SS合模粘接工艺，其主要粘接部分包括主腹板粘接区、前缘粘接区、后缘粘接区等，其中前缘粘接区和后缘粘接区多使用粘接角模具、socket芯材在SS面或PS面提前灌注成型，将后缘腹板和主腹板提前预制并在壳体合模前粘在壳体SS面或PS面。然后通过PS面模具翻转实现与SS面壳体合模粘接。其中，粘接区是SS面、PS面两壳体以及壳体与后缘腹板、主腹板传递载荷的关键，任何虚粘漏粘乃至胶层过厚都会大大影响叶片产品的抗载荷能力进而影响使用寿命［1］。所以在新叶型开发阶段，如何准确地设计粘接角模具、socket芯材、后缘腹板模具、主腹板模具控制合模间隙和胶黏剂用量是控制叶片开发速率、开发质量、开发成本的关键。

在设计上述模具时，多结合叶模型尺寸数据、铺层厚度数据以及胶黏剂理论厚度去计算相关模具数据，往往计算出的模具和socket数据不够准确，在生产过程中常常需要反复调节，并影响试制测试样片的质量，尤其是后缘区域有存在UD错层、芯材倒角等，非常复杂且不易精确掌握，这对后缘粘接角、socket、后缘腹板带来了较大困难，这时候往往需要借助叶片铺层模拟，将叶片设计结构模拟在叶片模型之中，该工作无论在CAD软件或是别的传统三维软件中的复合材料模块中都是非常繁琐且易出错的工作，对新产品的生产工艺开发带来困难。

1 铺层模拟

1.1 Bladedesk软件

Rhino是 由 美 国Robert McNeel公 司 推 出 的 一款强大的三维建模软件，广泛应用于CAD、CAM等工业设计当中，它自身的参数化建模功能为用户提供了大量的二次开发的空间。随着程序相关的插件开发，各行业的专业插件应运而生：建筑插件EasySite、机械插件Alibre Design、鞋业插件RhinoShoe、船舶插件Orca3D等，为各行各业的设计者提供便利。

与其他行业专用插件一样，Bladedesk是针对风电叶片行业开发的铺层模拟专业软件，其操作简单，易上手，只需掌握简单的语言格式，即可将叶片结构信息导入软件，即可查看叶片任意位置铺层结构，对结构开发、模具设计、工艺设计带来了巨大便利。

1.2 工作原理

BladeDesk主要利用了Rhino曲线曲面建模功能，通过偏置叶片结构轮廓线来模拟铺层结构，其中运行软件需要输入4个文件：1.叶片模型：包含定义叶片的PS面、SS面、PS面拐角线和SS面拐角线（主要用来定位SS面的立面芯材）。2.壳体铺层数据文件：包含腹板、大梁、UD、芯材定位数据、相关铺层数数据、错层数据等，如图1所示。3.材料定义文件：包含材料名称、类型、密度、单层层合板厚度、线条颜色等。4.截面提取文件：输入你需要查看的模拟结构的位置。

图1 BladeDesk操作界面

待一切输入软件后，如果没有错误，软件会生成用户想要查看的截面，如图2所示，其生成速度取决于用户所要查看截面的数量及其复杂程度。

图2 铺层模拟完成图

1.3 基础数据的选择

铺层模拟的准确性除了定位、错层等方面，很大程度上用户所输入的单层层合板厚度以及胶黏剂厚度选择也非常的重要。所以为了使铺层模拟更为精确，对相关基础数据的研究也尤为重要。

以某款69 m叶片为例，该风电叶片的主要铺层结构包括内蒙皮、外蒙皮、UD和大梁、根部过渡层和加强层；其中内蒙皮和外蒙皮由于层数较少，往往使用理论厚度计算即可取得较为精确的结构，但对于UD和大梁使用的UD-1250以及根部过渡层和加强层使用的3AX-1250等层数较多区域往往不能单纯地使用理论厚度数据。

在叶片实际设计过程中，固化后的层合板厚度主要通过公式（1）计算：

式中：

h——单层层合板厚度，mm；

ρ1——玻纤密度，取值2.6 g/cm3；

Wf——玻纤布单位面积质量（对于UD-1250，取值1250），g/cm3；

V1——对应玻纤布的体积分数，%。

根据我司测试制品含胶量数据，如表1，可计算出理论厚度为0.843 mm。

表1 制品含胶量测试数据

已有研究表明，层合板铺层层数会影响最终层合板的纤维体积质量，随着层数的增加，纤维体积增加导致单层厚度降低［2］。根据已有研究给出的布层数与纤维体积质量的数学模型［3-4］以及我司实测的不同层数的层合板单层厚度数据拟合，得出表2的以下结论：

表2 层合板单层厚度修正值

在胶黏剂厚度方面，常要求控制在2~10 mm，而且越薄越好，为了符合设计要求以及粘接质量，胶黏剂的理论厚度常常设置为4 mm［5］。

2 新产品开发中的应用

2.1 腹板粘接区间隙控制

精确的铺层模拟的结果会大大优化我们工艺设计人员的工作效率和工作准确度。以某款69 m叶片为例，设计腹板模具过程中，需截取叶片铺层模拟截面，截取的数量越多、间隔越近，所得到的腹板轮廓越精确，根据经验每隔半米截取为佳［6］；由于根部0~5 m区域螺栓加强层层数较多且终止位置间隔100~200 mm不等，所以为了腹板轮廓的准确性，需在根部每隔200 mm截取铺层模拟模型截面。在生产过程中，严格控制模具轮廓误差，控制腹板定位位置误差和角度误差，然后将腹板放置SS面壳体，上下每隔0.5 m放置橡皮泥测量间隙。该69 m叶片首支腹板上下间隙数据，如图3所示。从间隙数据表中可以看出，主腹板上下间隙数据基本与设计间隙拟合，SS侧间隙整体较小与主腹板放置在SS面有关［7］，除了个别间隙较小和超过10 mm的位置需要微调整，间隙合格率（2~10 mm）在90.5%左右。

图3 某69 m叶型首支腹板上下间隙数据

2.2 后缘粘接区间隙控制

前缘粘接区域一般结构简单，影响粘接间隙的因素主要是PS面芯材距边尺寸和芯材倒角，所以前缘粘接角模具对不同结构但共模的叶型往往可以实现通用［8］；但后缘区域的间隙控制往往要比前缘粘接区域和主腹板都要困难得多，后缘腹板往往粘接在PS与SS面的UD区域内，后缘UD预制件往往是通过错层搭接制成的，成品一般分为错层区和平面区，若后缘腹板大部分在UD平面区域，则影响间隙的因素主要与UD整体厚度有关；若后缘腹板大部分定位在UD错层区域，则影响后缘腹板间隙的因素会有UD的定位精度、错层精度以及影响最大的后缘腹板本身定位精度，所以在修正了UD铺层厚度后，我们在生产制造时需要严格控制UD制品位置；并制作卡板，在UD铺层时时刻监控UD错层情况和错层区域斜边的准确度；以及利用定位工装控制并固定小腹板定位，以防止后缘腹板在粘接过程中出现移位滑动的情况，如图4所示。

图4 后缘腹板和后缘粘接角设计

除了后缘粘接角和后缘腹板外，后缘粘接区还包括壳体粘接以及立面较大需要利用socket芯材填充并粘接。利用铺层模拟软件可以较为精确地设计socket芯材的形状，并可以观察并测量其他壳体粘接区域的间隙情况，如图5所示。

图5 socket设计和后缘壳体间隙控制

图5中后缘壳体间隙区域明显较大，一般可以通过调整UD定位尺寸、芯材定位尺寸、芯材倒角等方法整改，铺层模拟软件对此项工作提供了很大的便利性，结构以及工艺设计人员只需要调整输入参数即可快速查看调整后的效果。

在完成上述工作后，该69 m叶片首支后缘区域间隙情况如图6所示，间隙合格率（2~10 mm）在93.4%左右。

图6 后缘腹板和后缘粘接角设计

3 结论与建议

（1）基于Rhino的铺层模拟软件BladeDesk具有以下优点：铺层模拟模型生成工序简单，易上手，节约了大量新产品工艺开发的时间；该软件生成结果不易出错，其生成的模型与实际情况拟合程度较高。

（2）在修正大梁、UD等铺层，单层层合板厚度数据后，再加强工艺上腹板、后缘腹板、UD的定位精确度，结合铺层模拟软件针对首支某69 m叶片腹板模具粘接区、后缘粘接区的间隙的控制达到了良好的效果，使该样片首次合模间隙合格率达90%以上。这对新产品开发过程中，提高测试样片质量，节约生产成本，实现产品的快速量产化具有重要的作用。