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(huì)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？

無論從開發(fā)周期、開發(fā)技術(shù)，還是開發(fā)成本方面，葉片研制都需要有革命性的創(chuàng)新和突破來適應(yīng)研制轉(zhuǎn)型的需要。

01 傳統(tǒng)風(fēng)電葉片研制面臨的困境

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(huì)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；

• 難以對全流程重量實(shí)時(shí)監(jiān)控。

02 風(fēng)機(jī)葉片端到端數(shù)字化開發(fā)與轉(zhuǎn)型方案

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)。

1.葉片數(shù)字化設(shè)計(jì)

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)。

2.葉片重量監(jiān)控

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(huì)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。

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。

3.葉片仿真分析

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。

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，以得到葉片的降噪方法。

4.葉片數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與制造準(zhǔn)備

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。

5.葉片虛擬工廠提高制造效率

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

6.一體化平臺提高葉片研制效率

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。

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。

03 小結(jié)

基于模型的葉片數(shù)字化解決方案將為企業(yè)帶來葉片研制質(zhì)量、效率、管理等方面的提升。通過單一的數(shù)據(jù)源模型貫徹相關(guān)專業(yè)及上下游部門，實(shí)現(xiàn)葉片設(shè)計(jì)-仿真-制造-檢測融合并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化，并通過葉片實(shí)時(shí)的重量指標(biāo)檢測以及基于網(wǎng)頁的葉片3D數(shù)據(jù)審查，可實(shí)時(shí)掌控葉片研制項(xiàng)目狀態(tài)，從多方面實(shí)現(xiàn)葉片研制數(shù)字化轉(zhuǎn)型。