風機葉片RTM工藝模擬分析及其優化

　　復合材料風機葉片是風力發電系統的關鍵動部件，直接影響著整個系統的性有，要求具有長期在戶外自然環境條件下使用的耐侯性和合理的價格。因此，葉片的設計和質量十分重要，被視為風力發電系統的關鍵技術和技術水平代表。傳統復合材料風力發電楓葉片多采用手糊工藝（Handlay-up）制造。手糊工藝生產內機葉片的主要缺點是產品質量強烈依賴于工人的操作熟練積蓄及環境條件，生產效率低而且產品質量波動較大，產品的動靜平衡保證性差，廢品率高。葉片在使用過程是由于手糊工藝過程中的含膠量不均勻、斷裂和葉片變形等問題。此外，手糊工藝過程伴有大量有害物質和溶劑的釋放，有環境污染問題。因此，目前國外高質量復合材料風機葉片往往采用RTM（聚胺酯反應注射成型）、RTM、纏繞及預浸料/熱壓工藝制造。其中RTM工藝適宜中小尺寸風機葉征是首先在模腔中鋪放好按性能和結構要求設計好的增強材料預成型體（Preform），采用注射設備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，排氣系統保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具的加熱系統可使樹脂加熱固化而成型復合材料構件。RTM工藝屬于半機械化的復合材料成型工藝，特別適宜一次整體成型的風力發電機葉片，無需二次粘接。與手糊工藝相比，其節約各種工裝設備、生產效率高、生產成本低。同時由于采用低粘度樹浸潤纖維以及加溫固化工藝，復合材料質量高，且RTM工藝生產較少依賴工人的技術水平，工藝質量僅僅依賴預先確定好的工藝參數，產品質量易于保證，廢品率低。
　　 RTM工藝的技術含量高，無論是模具設計和制造、增強材料的設計和鋪放、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數（如注射壓力、溫度、樹脂粘度等）的確定與實施，都需要在產品生產前通過計算機模擬分析和實驗驗證來確定。模擬似真作為RTM工藝的關鍵技術發展迅速，等溫和非等溫條件下一維、二維、三維的模擬仿真模型已經被提出。江順亮采用了RTM工藝自主開發的軟件系統，成功地產現了RTM工藝中樹脂流動充模過程的模擬仿真。模擬仿真步驟：首先利用RAT-RAN軟件建立構件的有限元模型；然后將有限元模型數據導入計算軟件中進行計算；最后再利用PATRAN軟件對計算所得數據進行后處理，并實現流場和壓力場的顯示。通過專業分析進而對具體工的工藝參數進行優化。

    1　數學模型
    在RTM工藝中假設預先鋪設在模腔中的纖維增強材料為剛性體，樹脂為不可壓縮牛頓流體，忽略表面張力的影響；由于模腔尺寸遠大于纖維氈的孔隙，因此樹脂在閉合模腔中的流動行為可用牛頓流體通過多孔介質的流動過程來描述，描述樹脂流動行為的達西定律可表示為:

    其中：u、v和w是3個速度分量，kij(i,j=x,y,z)
    笛卡兒坐標下滲透率張量。假設樹脂和纖維的密度不變，即樹脂為不可壓縮流體，為了保持枝脂的質量平衡，速度場必須滿足散度條件: