CWPC2024：北京航空航天大學(xué)教授關(guān)志東發(fā)表《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)研究》的演講

各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位嘉賓，大家好！

我報(bào)告的題目是：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵技術(shù)，這個報(bào)告題目也是和組委會商量之后確定的。主要這4個方面內(nèi)容做一個交流，這4條寫的很多，但其中主要關(guān)于風(fēng)電葉片相關(guān)技術(shù)發(fā)展，這一部分內(nèi)容揀選出來。

一、研究背景

說到風(fēng)電葉片，這個會開了十屆，我第一次參加，20年前時我們就與風(fēng)電行業(yè)有接觸，當(dāng)時我們承擔(dān)了550復(fù)合材料槳葉的項(xiàng)目，那時候保定地區(qū)就有一些葉片廠，我們與他們做了一些交流。與當(dāng)時的情況比，今天從裝機(jī)容量到葉片直徑上都有了巨大的進(jìn)步，這些進(jìn)步從今天來看還是有賴于復(fù)合材料高水平的應(yīng)用。

復(fù)合材料可以說是一個最完美的材料，對于葉片來說。它的這些性能和葉片設(shè)計(jì)和使用要求相對來說有非常完美的匹配，剛才各位領(lǐng)導(dǎo)也說復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入成熟期，盡管我們?nèi)〉昧撕軅ゴ蟮某删汀５鎸ξ覀儑绎L(fēng)電新的發(fā)展形勢，我們還是面臨著發(fā)展的壓力，技術(shù)方面還有一些突破的可能性和突破的空間，后面我就圍繞這些方面和大家做一個交流。

二、復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)

首先有可能的突破空間就是復(fù)合材料的設(shè)計(jì)技術(shù)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是中間這幅圖的三角形面積。（圖示）這幅圖實(shí)際上是一個材料性能的設(shè)計(jì)域，在小三角形范圍內(nèi)這些點(diǎn)才是我們目前風(fēng)電葉片所采用的材料性能設(shè)計(jì)域，也就是說這些點(diǎn)是我們目前可以采用的性能設(shè)計(jì)點(diǎn)。實(shí)際上我們現(xiàn)在復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展，包括材料性能發(fā)展，以及自動鋪絲等工藝發(fā)展完全可以突破傳統(tǒng)的三角形設(shè)計(jì)限制。突破什么程度呢？我們看設(shè)計(jì)域的拓展就可以為葉片減重帶來很大的可能性。事實(shí)上國際國內(nèi)已經(jīng)做了很多這方面的研究，我們有一個4層的板，我們看纖維的鋪設(shè)角，傳統(tǒng)的鋪設(shè)角度都是0度、正負(fù)45度和90度。現(xiàn)在我們就突破這種約束，可以設(shè)計(jì)成任意角度的鋪層，把鋪層組合起來就形成了最右側(cè)的承合板，當(dāng)然我們有代價，使每個不同角度都有變的，設(shè)計(jì)成本有一定提升。不管怎么說，我們采用一定的技術(shù)以后，實(shí)際上可以解決這個難題。如果這個設(shè)計(jì)準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)突破的話，可以大幅度減輕復(fù)合材料葉片的重量。

（圖示）這個公式大家很熟悉，如果突破9度、45度、95度、正負(fù)45度限制，甚至突破對稱均衡限制的話，A的取值范圍會進(jìn)一步擴(kuò)大，同時會有B矩陣和D矩陣，實(shí)現(xiàn)拉彎耦合。它能帶來什么好處呢？這就是我們的研究成果，采用了變剛度設(shè)計(jì)方法，纖維束曲線的鋪設(shè)。就把加筋板失效的模態(tài)控制它，在B的情況下是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，滿足一定強(qiáng)度情況下它的鋪層是20層，如果采用V1-V6，我們用16、15層就可以達(dá)到和20層相對的力學(xué)性質(zhì)，這樣減重降低20%，達(dá)到這樣的量級。再是實(shí)現(xiàn)了彎扭耦合，提高了它的氣動性能，這樣就可以控制葉片在實(shí)際工作中，尤其是復(fù)雜風(fēng)場、大功率情況下的變形，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的氣動外形，這也是突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則帶來的一個好處。再是控制它的固化變形，只要突破對稱均衡的準(zhǔn)則，葉片固化變形是很容易控制的。如果要突破它的話付出的代價就是設(shè)計(jì)變量大幅度增加，這時候要采用一些新的設(shè)計(jì)手段，尤其是人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的手段，這方面我們已經(jīng)做了相關(guān)研究，證明確實(shí)是可行的。

三、智能結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

智能結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用說來已經(jīng)有很長歷史，從航空角度已經(jīng)有20多年。智能結(jié)構(gòu)其實(shí)就是它的探測器、數(shù)據(jù)處理，以及預(yù)警裝置等，實(shí)現(xiàn)槳葉一旦出現(xiàn)緊張了我們及早發(fā)現(xiàn)。這是我們的研究結(jié)果，可以把復(fù)合材料內(nèi)部的典型損傷，以及對力學(xué)的性能影響做一個研究，當(dāng)然通過實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模型進(jìn)行研究。我們把受力情況下不同損傷狀態(tài)板子的響應(yīng)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記錄下來，就可以實(shí)現(xiàn)對葉片損傷的準(zhǔn)確預(yù)測，這也是我們前期做的一部分工作，效果非常驚人的，它的預(yù)測精度能達(dá)到95%，也就是說比傳統(tǒng)的預(yù)測方法精度大幅度提升。

（圖示）這是聲發(fā)射得到的信號和人工智能方法結(jié)合起來，探測葉片的損傷，也就是這方面研究一直在做。

（圖示）這是丹麥技術(shù)大學(xué)智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，主要是探測葉片損傷部位在工作時有一個不同的溫度，相當(dāng)于正常的結(jié)構(gòu)，沒有損傷的結(jié)構(gòu)，損傷部位溫度有一定提升。通過熱成像技術(shù)定位損傷，然后把熱成像相關(guān)數(shù)據(jù)通過一套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)判斷槳葉的損傷。

我們提出的研究方法，只要通過一個簡單的測距系統(tǒng)，因?yàn)槿~片一旦嚴(yán)重?fù)p傷之后它的剛度會變化，在正常工作的時候，葉片的姿態(tài)和上面點(diǎn)的運(yùn)動軌跡就會發(fā)生變化。我們僅僅是通過監(jiān)測運(yùn)動軌跡的變化，就能判斷葉片的損傷，尤其是葉片發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，臨近損毀的狀態(tài)，我們可以把這套系統(tǒng)和葉片這套剎車系統(tǒng)結(jié)合起來，就能制止剛才葉輪的圖片，整個損毀狀態(tài)就會出現(xiàn)。這套裝置非常便宜，我們預(yù)測大概幾萬塊錢就可以裝配這套系統(tǒng)。

四、制造變形控制

變形是完全不可避免的，這是由復(fù)合材料本身特點(diǎn)決定的。它的影響因素又特別復(fù)雜，所以這方面研究已經(jīng)做了很多，很多的研究工作。這部分也是我們開展的一部分研究工作，我們從變形原理上做了分析，分成3個分析模塊去處理這個問題。每個模塊又涉及到好多參數(shù)，用了這套方法可以比較準(zhǔn)確預(yù)測固化變形。相對變形來說，我們目前變形測量方法也有很多不科學(xué)的地方，我們又提出了一套面對裝配變形的測量方法，也把這套思路用一套軟件做了實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的變形，我們可以通過這套虛擬裝配技術(shù)，葉片在裝配之前我們就提出一套優(yōu)化的裝置方案，比如電片的位置、電片的尺寸，以及裝配的次序，甚至吊裝和夾層的位置等，把這些因素結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)葉片的個性化裝配，因?yàn)槊總€葉片變形是不一樣的。

（圖示）這是變形的軟件分析，我們在航空工業(yè)幾個大的場所都在用這套軟件做了一些變形分析。它比較突出的兩個作用：一個是鋪層設(shè)計(jì)時可以減小它的變形，對這種鋪層進(jìn)行工藝變形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外一旦出現(xiàn)變形時，我們可以自動設(shè)定修模的數(shù)模，怎么去修復(fù)它一下。當(dāng)然對葉片，可能每個模具進(jìn)行修模不容易，我們更強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)階段時盡量減少它的變形。再結(jié)合智能化的裝配技術(shù)，就可以滿足葉片的高質(zhì)量制造。

五、維護(hù)和損傷檢查

我們飛機(jī)也是大量用的復(fù)合材料，產(chǎn)品一旦交付了就脫離不了維護(hù)和檢查這方面的工作。維護(hù)和檢查的這套思路不管在航空工業(yè)還是葉片工業(yè)，其實(shí)是一套思路。首先要發(fā)現(xiàn)損傷，判斷對這種損傷的評估，對力學(xué)性能的影響，再決定它的修理方法、維護(hù)方法等。目前這套檢測方法主要是目視檢測方法，我們現(xiàn)在把這套檢測方法通過圖像識別和機(jī)器學(xué)習(xí)辦法做了一些改進(jìn)，只要在飛機(jī)的翼面，當(dāng)然對應(yīng)葉片進(jìn)行照相就可以了。通過圖像識別的辦法，就可以比肉眼精度更高，能夠發(fā)現(xiàn)這些損傷的存在。一旦發(fā)現(xiàn)損傷存在之后，我們再通過C掃，當(dāng)然對葉片來說，這些檢測方法可以結(jié)合無人機(jī)的技術(shù)，進(jìn)一步確定它的損傷程度。

當(dāng)然C掃輸出的只是一些圖片，我們把圖片輸入到經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里，就可以直接輸出損傷，即時就可以確定損傷對葉片性能的影響，就可以采取相應(yīng)的措施。比如可以減速甚至停機(jī)等，只要檢測就可以馬上得出結(jié)論了。我們把這套系統(tǒng)結(jié)合到便攜設(shè)備中，把軟件和硬件結(jié)合起來，只要發(fā)現(xiàn)損傷之后就可以直接得出結(jié)果，就可以把這套檢測程序完全軟件化，可以和檢測設(shè)備結(jié)合起來。典型的修理方法，貼補(bǔ)、挖補(bǔ)法都有，我們航空也是用這套方法做的處理。我剛才說的系統(tǒng)直接可以出設(shè)計(jì)方案，而且我們有一套軟件分析平臺，可以直接把修理方案和評估報(bào)告提供出來，我覺得這套研究方法可能對風(fēng)電發(fā)展也會有一定作用。

謝謝大家！