轉(zhuǎn)載自 達(dá)索系統(tǒng)
自2010年以來，世界見證了可再生能源的加速部署，其增長速度已超過全球每年新增的常規(guī)電力容量。按國家能源局的解讀，至“十四五”末，可再生能源在全社會用電量增量中的比重將達(dá)到2/3左右。
作為可再生能源的主力，風(fēng)電將迎來新的“機(jī)遇”之戰(zhàn)。隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量逐漸增大，葉片尺寸呈大型化趨勢，葉片設(shè)計(jì)面臨的考驗(yàn)包括：
◎ 如何優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)質(zhì)量，包括“減重”，“結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，“可靠性分析”及“提升設(shè)計(jì)質(zhì)量”？
◎ 如何加速葉片設(shè)計(jì)效率，利用工具進(jìn)行葉片自動(dòng)建模，整合其他葉片設(shè)計(jì)專業(yè)工具、建設(shè)葉片設(shè)計(jì)知識工程體系？
◎ 如何構(gòu)建完整的葉片設(shè)計(jì)制造體系，實(shí)現(xiàn)葉片“設(shè)計(jì) -> 仿真 -> 制造”體系的一體化與數(shù)字化？
圖1 傳統(tǒng)的葉片開發(fā)流程
較大的風(fēng)機(jī)葉片不僅可以在發(fā)電量上有所突破，還可以促進(jìn)用于大型葉片開發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)工藝等技術(shù)的進(jìn)步。然而，葉片加長會帶來新的挑戰(zhàn)，如何制造出強(qiáng)度高且重量輕的葉片，成為葉片企業(yè)考慮到話題。
傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)面臨的問題包括：
數(shù)據(jù)間未實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，手動(dòng)轉(zhuǎn)換存在重復(fù)勞動(dòng)和一致性風(fēng)險(xiǎn)；
葉片曲面修型光順能力可進(jìn)步提升；
基于3D的協(xié)同設(shè)計(jì)薄弱，無3D鋪層模型，設(shè)計(jì)-仿真-工藝的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作量大（2D導(dǎo)向）；
3D CFD 缺失，難以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲+ 長葉片的非線性+局部校核 + 應(yīng)變分析；
難以實(shí)現(xiàn)葉片的多目標(biāo)優(yōu)化；
缺乏工藝可行性驗(yàn)證手段，作業(yè)指導(dǎo)書手工編制，耗時(shí)，準(zhǔn)確性差；
缺乏有效的調(diào)裝/工裝仿真驗(yàn)證手段；
葉片開發(fā)技術(shù)涵蓋設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測等環(huán)節(jié)。主要的目標(biāo)包括：
設(shè)計(jì)端：追求更高的AEP，更低的LCOE，結(jié)構(gòu)輕量化和可靠的雷電保護(hù)系統(tǒng)；
工藝端：追求設(shè)計(jì)無縫銜接、工藝無紙化、制造過程可仿真、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可驗(yàn)證；
制造端：追求高精度、高效率、低成本及智能化的制造系統(tǒng)；
檢測端：追求全面化、無紙化、可視化、虛擬化、自動(dòng)化的無人檢測系統(tǒng)。
開發(fā)技術(shù)最前端翼型開發(fā)，在最開始的時(shí)候應(yīng)該要考慮到結(jié)構(gòu)和工藝，在相同負(fù)荷水平下，AEP達(dá)到最高，同時(shí)度電成本最低，最大限度減少在污染條件下性能的下降及追求更高的可制造性。
葉片數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：
設(shè)計(jì)快速生成，建模方法與坐標(biāo)系，避免錯(cuò)層；
后緣梁的模擬分析，進(jìn)行一層一層的分析；
鋪層完后某個(gè)截面分開厚度分析；厚度錯(cuò)層檢查，干涉檢查；
鋪層設(shè)計(jì)與工藝的銜接，鋪層支撐、模擬校核；
鋪層的校核分析，能否滿足校核標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 葉片復(fù)材設(shè)計(jì)
降低葉片重量的方法之一是在復(fù)合材料鋪層中采用更多的碳纖維，但這樣會導(dǎo)致材料成本大幅增加。
另一種更可行的方法就是改進(jìn)芯材性能、樹脂體系以及蒙皮和芯材的粘結(jié)效果。這樣可以降低葉片重量、延長葉片壽命，同時(shí)還可以縮短生產(chǎn)周期，降低成本。
在葉片3D設(shè)計(jì)、鋪層定義，以及進(jìn)行梁3D設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以進(jìn)行葉片重量、重心、質(zhì)心的計(jì)算與檢測。
圖3 葉片協(xié)同設(shè)計(jì)與重量檢測
葉片減重與監(jiān)控實(shí)現(xiàn)：
3D概念模型作為基本體重和COG信息的載體；
通過全三維的葉片設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算重量、重心和慣性矩陣；
建立，測量和分析重量與平衡指標(biāo)，以有效地推動(dòng)概念設(shè)計(jì)；
監(jiān)視和控制概念設(shè)計(jì)重量與平衡信息的成熟度；
有效地管理和優(yōu)化概念設(shè)計(jì)的重量，并確保符合法規(guī)需求。
基于統(tǒng)一平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片復(fù)材設(shè)計(jì)仿真的一體化，以提高仿真速度與迭代效率。設(shè)計(jì)仿真一體化包括：
以設(shè)計(jì)得到的葉片結(jié)構(gòu)和鋪層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在CAE中進(jìn)行有限元模型的前處理；
對結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行必要的劃分，以實(shí)現(xiàn)載荷的施加和網(wǎng)格的劃分；
根據(jù)截面的載荷數(shù)據(jù)，施加在葉片相應(yīng)截面上，載荷的耦合區(qū)域應(yīng)合理體現(xiàn)風(fēng)載的分布情況；
對葉片進(jìn)行模態(tài)求解，提取頻率和模態(tài)；
利用一體化平臺進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的查看等。
圖4 深度融合的多尺度葉片結(jié)構(gòu)分析
此外，可以基于不同的風(fēng)場工況，對風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理與分布特性進(jìn)行研究分析，以得到葉片的降噪
葉片數(shù)字化工藝是借助葉片3D模型，進(jìn)行鋪層作業(yè)工藝編制、優(yōu)化，以減少葉片工藝編制難度與制造錯(cuò)誤：
通過葉片鋪層工藝規(guī)劃與3D仿真，減少產(chǎn)品和設(shè)備的原型樣車數(shù)量；
最大化空間和設(shè)備利用率，提高工廠產(chǎn)能和安全性；
按照目標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間定義、規(guī)劃、優(yōu)化裝配生產(chǎn)線；
在計(jì)劃階段的早期就已經(jīng)確定葉片鋪層的可行性；
更好的作業(yè)指導(dǎo)書質(zhì)量，支持復(fù)雜產(chǎn)品和過程方案的工作說明。
在數(shù)字化設(shè)計(jì)與工藝的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建葉片虛擬工廠，來對葉片制造過程進(jìn)行有效的鋪層仿真與驗(yàn)證，降低鋪層操作錯(cuò)誤，提高鋪層效率：
通過虛擬3D仿真驗(yàn)證制造工藝計(jì)劃
在有或沒有資源上下文和行為的情況下模擬流程計(jì)劃
確定最佳的組裝順序和組裝方法
確保在車間進(jìn)行可靠和安全的生產(chǎn)執(zhí)行
葉片的開發(fā)周期可以簡單分為三個(gè)階段，即設(shè)計(jì)階段、制造階段和測試階段，通常要40-80周。每一個(gè)階段之間很多工作都可以同時(shí)進(jìn)行，比如設(shè)計(jì)階段和制造階段有很多時(shí)間可重疊，葉片外形確定后可以做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具開發(fā)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)做工藝設(shè)計(jì)，開展工藝實(shí)驗(yàn)，材料認(rèn)證、設(shè)備認(rèn)證等等，從而大大縮短開發(fā)周期。
如何建立起能夠串聯(lián)設(shè)計(jì)、制造、檢測的閉環(huán)系統(tǒng)，即根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，結(jié)合生產(chǎn)工藝、制造精度和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行建模，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)，將大大提高葉片研發(fā)效率。
圖5 葉片復(fù)材數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)
基于3D體驗(yàn)平臺的數(shù)字化協(xié)同能力建設(shè)還包括：
所有工作都是在數(shù)字環(huán)境中進(jìn)行的；
所有數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)控制；
數(shù)字平臺鏈接在一起形成強(qiáng)大的數(shù)字線程
◇ 需求與D-FMEA管理；
◇ 葉片表面光順；
◇ 有限元分析；
◇ 材料庫管理；
◇ 3D和2D模型并存；
◇ 鋪層定義、鋪層手冊、芯材設(shè)計(jì)；
◇ D-BOM、M-BOM定義；
◇ 葉片制造工藝、激光照排文件設(shè)計(jì)；
◇ 控制計(jì)劃和控制圖管理；
◇ 流程圖、P-FMEA和工作指導(dǎo)書管理；
◇ 葉片工藝與工廠仿真；
基于數(shù)字主線實(shí)現(xiàn)葉片研制端到端的數(shù)字線協(xié)同將實(shí)現(xiàn)：
以產(chǎn)品生命周期管理作為骨架主線；
基于單一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)變更影響分析；
將不同軟件供應(yīng)商的工具軟件整合到一個(gè)平臺上流暢運(yùn)轉(zhuǎn)；
打通葉片研制上下游，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研制管理。
圖6 3D體驗(yàn)平臺賦能風(fēng)電葉片端到端數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案
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