CWPC2024：株洲時代新材料科技股份有限公司開發(fā)部長劉鵬輝發(fā)表《風(fēng)電葉片關(guān)鍵部件高效優(yōu)化設(shè)計平臺開發(fā)》的演講

尊敬的各位來賓、專家、同仁，大家上午好！

我是來自時代新材開發(fā)中心的劉鵬輝，我分享的主題是：風(fēng)力機葉片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計平臺，主要分3個部分：風(fēng)力葉片本體設(shè)計平臺、風(fēng)力機葉片根部連接設(shè)計平臺、行業(yè)展望。

一、風(fēng)力機葉片本體設(shè)計平臺

我們主流用的軟件是Focus、Catia、Hypermesh等，在Focus主要是葉片模型快速建立和葉片結(jié)構(gòu)屬性的快速生成。Catia 主要用于葉片外形的建模及葉片模具。工裝的三維設(shè)計。Hypermesh主要用于葉片網(wǎng)格的繪制或修正。Abaqus 主要用于葉片的有限元仿真計算。Isight 主要用于關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。各類軟件在各自擅長的領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，專業(yè)性非常強，但不同軟件界面和特點存在差異，不利于設(shè)計人員快速上手。更重要的是它們的輸入格式不一致，所以軟件之間數(shù)據(jù)傳遞存在壁壘，大大降低了葉片關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化效率。基于從底而上的設(shè)計理念，建立適用于風(fēng)電葉片特色的平臺，以減少軟件數(shù)量，提高設(shè)計效率。

我們的整體思路是：完全自主開發(fā)，前期設(shè)計不依賴外部商業(yè)軟件或內(nèi)核；高度自動化的葉片設(shè)計、數(shù)據(jù)管理以及全流程分析；實現(xiàn)底層原生的參數(shù)化高效幾何內(nèi)核和高可定制性三維渲染交互引擎；高度模塊化及可擴展能力；友好易用的圖形用戶界面；完善的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出支持。

平臺主頁面：程序設(shè)置；幾何外形；結(jié)構(gòu)拓?fù)洌徊牧蠈傩裕讳亴硬贾茫唤孛娣治觯蝗S分析。

翼型方案管理：支持管理任意多套翼型方案，按需選用；每套翼型方案可包含任意數(shù)量的翼型截面，任意增刪；支持對翼型數(shù)據(jù)進行一鍵導(dǎo)入導(dǎo)出以及實時修改；支持實時繪制和比較翼型數(shù)據(jù)；支持用戶靈活調(diào)整繪圖樣式；支持自定義特征點用于參數(shù)化葉片生成。

展向分布管理：支持管理任意多套展向布置方案，按需選用；每套展向布置方案包含Chord、Thickness、Twist、Pitch axis 和 Prebend 展向布置數(shù)據(jù)；支持展向布置方案一鍵導(dǎo)入導(dǎo)出以及實時修改；支持實時繪制設(shè)計曲線，方便不同方案之間對比查看；支持用戶靈活調(diào)整繪圖樣式。

參數(shù)化葉片幾何生成：支持基于任意翼型方案和展向布置方案組合全自動快速生成指定長度的葉片外形；支持基于多種樣條算法自動進行截面過渡和展向放樣，嚴(yán)格保證表面光滑性；基于自適應(yīng)算法自動計算最佳控制面和控制點位置充分捕捉幾何細(xì)節(jié)特征；支持對指定葉片特征線/定位線進行平滑光順；支持直接生成和導(dǎo)出葉片三維曲面CAD模型文件。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮?shù)化及自動計算：完整的參數(shù)化結(jié)構(gòu)拓?fù)洌ㄌ卣骶€、面）定義；基于參數(shù)化定義快速計算出葉片表面上的結(jié)構(gòu)分區(qū)特征面和特征線，比如大梁、腹板的面和線；自動對計算得到的所有結(jié)構(gòu)特征實時進行三維渲染并支持任意操作交互；支持完整結(jié)構(gòu)拓?fù)鋽?shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出。

材料屬性定義及鋪層管理：材料管理器；統(tǒng)一管理材料屬性；任意增刪；支持材料數(shù)據(jù)的一鍵導(dǎo)入和導(dǎo)出。鋪層方案管理器；便捷的三維鋪層區(qū)域定義方式；支持對任意多組鋪層方案進行管理和切換；支持鋪層方案數(shù)據(jù)的一鍵導(dǎo)入和導(dǎo)出。

截面有限元分析：自動生成截面的有限元網(wǎng)格，并進行網(wǎng)格優(yōu)化；自動生成截面鋪層；

可實現(xiàn)葉片集中力加載及彎矩加載；快速計算，查看截面應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)果。

截面鋪層及有限元網(wǎng)絡(luò)查看：對截面有限元網(wǎng)格密度進行控制和過渡區(qū)域優(yōu)化。比如這是優(yōu)化之前夾芯和主梁、腹板的糾差，這一塊很不合理。優(yōu)化之后，夾芯和后緣UD可以按照鋪層的比例進行倒角；基于結(jié)構(gòu)拓?fù)浜弯亴臃桨感畔⒆詣哟_定截面內(nèi)鋪層和材料屬性。

截面屬性分析及計算結(jié)果查看，支持截面結(jié)構(gòu)屬性計算；對截面屬性以及指定載荷下的截面內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變進行快速計算。

截面看完結(jié)果之后，就是葉片整體三維有限元分析：1分鐘之內(nèi)自動生成完整葉片有限元模型；基于結(jié)構(gòu)拓?fù)浜弯亴訁^(qū)域自動定義各類單元集合；基于鋪層方案自動定義有限元鋪層屬性；支持對單元尺寸和質(zhì)量進行控制及優(yōu)化。

（圖示）這是實際網(wǎng)格的展示。

二、風(fēng)力機葉片根部連接設(shè)計平臺

首先說一下背景，我國葉片發(fā)展趨勢是：小節(jié)圓、大兆瓦、長葉片；葉根連接結(jié)構(gòu)強度不足；技術(shù)瓶頸，競爭焦點。葉片本體結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有任何問題，但是我的葉片連接結(jié)構(gòu)的強度是制約我本體設(shè)計的最重要的一個因素。難點是：部件眾多：輪轂、變槳軸承、法蘭、連接螺栓、螺母、葉根(打孔：T螺母； 預(yù)埋：螺栓套、A/B部分、平齊/突出)；非線性關(guān)系：接觸關(guān)系、幾何非線性、材料非線性(螺栓套界面失效)；連接關(guān)系：變槳軸承內(nèi)外圈(三排柱，四點球軸承)，螺栓嚙合，建模復(fù)雜；優(yōu)化參數(shù)： (1)螺栓數(shù)量、規(guī)格、中徑；(2)預(yù)緊力；(3)螺栓套外徑、外形、長度、內(nèi)螺紋深度；(4)變槳軸承類型、厚度；(5) 法蘭的厚度與規(guī)格；(6)葉根厚度。考慮因素：多種規(guī)格的螺栓(極限和疲勞)、螺栓套拉拔力、主梁效應(yīng)等。

（圖示）這是葉根連接平臺的截面：程序設(shè)置；幾何參數(shù)；材料屬性；載荷約束；求解輸出；結(jié)果處理。

有限元參數(shù)化建模，參數(shù)化建模：幾何建模、網(wǎng)格剖分、模型裝配、材料屬性定義、載荷定義全流程參數(shù)化；支持2D CAD 繪圖，支持尺寸標(biāo)注，支持界面直接調(diào)整幾何尺寸參數(shù)；

參數(shù)由一個配置文件統(tǒng)一管理，支持一鍵導(dǎo)入導(dǎo)出；兼容主流葉根結(jié)構(gòu)，支持預(yù)埋螺栓和T型螺栓，支持雙排滾珠軸承和三排滾柱軸承；自動完成滾珠（柱）裝配建模，極高的魯棒性，兼容不同的幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格疏密級別；兼容不同載荷定義方式，支持“葉根+等效載荷”和“葉片+完整載荷”。

（圖示）這是一些模型展示，細(xì)節(jié)方面都是做的很清晰。

我們的有限元結(jié)果可以直接提取及后處理：直接提取有限元計算結(jié)果，自動對結(jié)果做后處理分析；按需提取疲勞損傷嚴(yán)重的螺栓結(jié)果，支持插值計算任意位置的載荷應(yīng)力幅值；

整合了極限分析和疲勞分析全流程，自動提取迭代步數(shù)據(jù)結(jié)果，直接加載用戶輸入的Markov矩陣進行疲勞壽命分析；基于極限和疲勞計算結(jié)果，自動生成分析報告。

三、行業(yè)展望

簡單說一下行業(yè)展望，未來陸上葉型發(fā)展趨勢：BCD3200-220/230/240，BCD3600-24X/25X/26X。未來海上葉型發(fā)展趨勢：BCD4600-260+, BCD5000-260+，BCD5200-300+；超長柔葉片彎扭耦合的計算研究；超長柔葉片粘接失效問題研究；部件級試驗構(gòu)件屈曲破壞測試；葉片全尺寸葉片失效理論及有限元研究；葉根連接強度及新技術(shù)研究；開發(fā)并集成風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)失效分析評估程序。我們下一步亟須的是開發(fā)并集成葉片結(jié)構(gòu)失效分析評估的程序。

我的分享到這里，謝謝大家！