李占營：淺談大葉片結(jié)構(gòu)的輕量化與可靠性設(shè)計

 

李占營：尊敬的與會來賓，我是來自中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司的李占營，很高興有機會在這里和大家淺談風(fēng)電葉片、大型葉片結(jié)構(gòu)的輕量化與可靠性設(shè)計的專題。報告分三個部分：第一部分，大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計挑戰(zhàn)與挑戰(zhàn)。第二部分，圍繞解決挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的措施及一些思考。第三部分，未來大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的想法。“十四五”以來全球風(fēng)電行業(yè)向好，雙碳目標(biāo)為未來的發(fā)展制定了方向。但是，隨著風(fēng)電的平價上網(wǎng)，風(fēng)電價格持續(xù)走低、風(fēng)輪直徑持續(xù)增加，運行環(huán)境的復(fù)雜也為結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，如何平衡成本、效率、結(jié)構(gòu)和工藝之間的矛盾，如何在保證葉片可靠性的前提下去實現(xiàn)葉片的輕量化是擺在結(jié)構(gòu)設(shè)計人員前面的重要課題。

風(fēng)電葉片是由主梁、腹板、蒙皮等通過粘接連接形成大型結(jié)構(gòu)，如何實現(xiàn)它的輕量化，從結(jié)構(gòu)角度來看，應(yīng)該從氣動、材料、工藝和結(jié)構(gòu)協(xié)同上下游共同創(chuàng)新，一起來實現(xiàn)葉片結(jié)構(gòu)的輕量化和可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計的探索主要圍繞上下游如何一起創(chuàng)新開展的。

結(jié)構(gòu)設(shè)計方面如何協(xié)同上下游一起解決輕量化和可靠性問題。

首先，氣動方面，隨著風(fēng)電葉片尺寸增大，環(huán)境復(fù)雜化，柔性氣彈問題逐漸成為氣動結(jié)構(gòu)一起設(shè)計的難題，成為葉片的瓶頸。如何協(xié)調(diào)在葉片和主機迭代過程中的重量、載荷和發(fā)電量多個目標(biāo)的優(yōu)化問題，這是我們探索方向。為此，我們展開了一系列基于氣動結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計技術(shù)，在機組設(shè)計過程中進行氣動和結(jié)構(gòu)的深度迭代來滿足多學(xué)科、多目標(biāo)的優(yōu)化的問題。

第二，新材料方面。通過引進高膜玻纖和PET材料協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)新材料的應(yīng)用，以686為例，從早期葉片19.4噸，到最新版本12.9噸，實現(xiàn)33%的重量的降低。新材料方面，比如碳玻混、碳纖維主梁及拉擠玻纖主梁的應(yīng)用為葉片的重量減輕提供了新的途徑。未來，國產(chǎn)碳纖維的應(yīng)用為葉片進一步輕量化提供了選擇。

第三，制造方面，通過自動化和智能化裝備的使用，比如將傳統(tǒng)的吊帶脫模改進成吸盤起模工裝，將人工打磨轉(zhuǎn)為自動打磨機器人，降低葉片在流轉(zhuǎn)過程中的損失。另外，基于制造影響評估及精確定位設(shè)備的應(yīng)用，降低了由于制造容差影響的ΩM3的系數(shù)，包括激光投影設(shè)備、電動鋪布車，這些應(yīng)用使制造過程更加可控，從而降低了葉片在制造過程中的預(yù)度。

第四，精細化結(jié)構(gòu)設(shè)計。這里包含兩個方面，一是更準(zhǔn)確的分析方法降低Ωm4的系數(shù)，更精確的載荷降低Ωm5的系數(shù)。通過這兩個方面的努力，我們通常能夠針對不同的失效模式達到一定程度的減重，比如纖維疲勞降到30%左右，全局穩(wěn)定性能降低25%左右。

（PPT圖示）更準(zhǔn)確的分析方法，通過將傳統(tǒng)以極限強度M值為基礎(chǔ)簡化的疲勞算法，改成多SN算法，減少由于疲勞預(yù)度引起的不必要的增重。另外，通過非線性穩(wěn)定性分析技術(shù)在葉片設(shè)計過程中的應(yīng)用取代部分傳統(tǒng)的線性穩(wěn)定性分析。一方面提高了失效模式預(yù)測的精度，另一方面可以實現(xiàn)一定程度的減重。這些精細化設(shè)計的方法通常在全尺寸葉片設(shè)計中驗證的話代價比較高，不能實現(xiàn)所有失效模式的驗證。所以在近年來我們做了一系列的以積木式方法為基礎(chǔ)的部件測試驗證，包括腹板和主梁粘接部件實驗，包括后緣整體失穩(wěn)的大部件測試。具體葉片方面，殼體和腹板是通過粘接連接，而粘接連接又是薄弱環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)都是基于簡化分析方法，我們通過進一步基于斷裂力學(xué)的分析思路方法引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過G1C、G2C測試，到腹板主梁玻璃測試及后緣拉伸玻璃測試驗證分析方法，逐步應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。

穩(wěn)定性部件測試方面，這是后緣大部件的極限測試，全尺寸測試代價很高，通過部件測試的手段不僅能夠準(zhǔn)確地驗證失效模式，同時能夠以較低的成本實現(xiàn)測試。在這個過程中消化引入一些DIC測試技術(shù)，幫助我們更好地理解結(jié)構(gòu)的非線性的響應(yīng)行為。

精細化設(shè)計的另一方面是更精確地載荷，通過將傳統(tǒng)的極限四方向載荷的設(shè)計更新設(shè)計為以十二方向或者二十四方向的POLAR載荷設(shè)計，不僅提升了設(shè)計抗失衡設(shè)計許用值，同時減輕了結(jié)構(gòu)的重量。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新方面，為了解決陸上葉片運輸困難和運輸成本占比比較高的問題，我們近年來做了一些探索，為了解決中東南地區(qū)復(fù)雜地形及高速路限制問題，我們進行了分段技術(shù)的探索，包括以機械連接、粘接連接不同連接方式的經(jīng)濟性的研究，以及技術(shù)可行性的研究，期望陸上大葉片的運輸問題得到一定問題的解決。

以上從氣動結(jié)構(gòu)一體化、新材料的開發(fā)引進及制造過程控制及結(jié)構(gòu)精細化設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計幾個方面對近年來在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域保證可靠性的前提下實現(xiàn)葉片輕量化的探索，最后再提幾點思考。

第一，對于設(shè)計技術(shù)及工具的思考。為了解決氣動結(jié)構(gòu)一體化問題，如何基于商業(yè)軟件或者自研的工具建立起氣動結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計體系，把它融入到與主機迭代過程中實現(xiàn)多學(xué)科、多目標(biāo)綜合優(yōu)化的目的。這是探索的方向。

新材料領(lǐng)域有兩個點：1、如何以最小必要的測試加快新材料的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用來服務(wù)于越來越快的產(chǎn)品開發(fā)周期。2、如何根據(jù)新材料的性能進行針對性的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，比如引入熱塑性樹脂如何針對它的性能特點進行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

第三，制造過程控制方面，如何基于設(shè)計容差完善制造過程控制，降低葉片制造成本同時提高可靠性，該嚴(yán)的地方嚴(yán)，該松的地方松下來，這是我們努力的方向。

第四，結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法，如何將設(shè)計部件測試設(shè)計方案實現(xiàn)目標(biāo)失效模式下分析方法的驗證，雖然我們做了一些嘗試但還有很多工作值得研究和探索，進一步將分析方法的精度及驗證工作做得更好，更好地為葉片產(chǎn)品開發(fā)過程服務(wù)。最后，如何基于斷裂力學(xué)或非線性穩(wěn)定性高精度但高成本的設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品的開發(fā)迭代過程中，因為他們的成本或者需要的時間比較多，如何將其有效地融合到現(xiàn)在的快速平臺開發(fā)葉片設(shè)計的迭代過程中，這是我們考慮和努力的方向。

以上是我的報告，謝謝大家的聆聽。

（文章內(nèi)容來自于現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）