CWPC2024：株洲時代新材料科技股份有限公司開發部長劉鵬輝發表《風電葉片關鍵部件高效優化設計平臺開發》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中心的劉鵬輝，我分享的主題是：風力機葉片關鍵結構優化設計平臺，主要分3個部分：風力葉片本體設計平臺、風力機葉片根部連接設計平臺、行業展望。

一、風力機葉片本體設計平臺

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構屬性的快速生成。Catia 主要用于葉片外形的建模及葉片模具。工裝的三維設計。Hypermesh主要用于葉片網格的繪制或修正。Abaqus 主要用于葉片的有限元仿真計算。Isight 主要用于關鍵參數的優化設計。各類軟件在各自擅長的領域具有相當的優勢，專業性非常強，但不同軟件界面和特點存在差異，不利于設計人員快速上手。更重要的是它們的輸入格式不一致，所以軟件之間數據傳遞存在壁壘，大大降低了葉片關鍵參數的優化效率?；趶牡锥系脑O計理念，建立適用于風電葉片特色的平臺，以減少軟件數量，提高設計效率。

我們的整體思路是：完全自主開發，前期設計不依賴外部商業軟件或內核；高度自動化的葉片設計、數據管理以及全流程分析；實現底層原生的參數化高效幾何內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；完善的數據導入導出支持。

平臺主頁面：程序設置；幾何外形；結構拓撲；材料屬性；鋪層布置；截面分析；三維分析。

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量的翼型截面，任意增刪；支持對翼型數據進行一鍵導入導出以及實時修改；支持實時繪制和比較翼型數據；支持用戶靈活調整繪圖樣式；支持自定義特征點用于參數化葉片生成。

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 展向布置數據；支持展向布置方案一鍵導入導出以及實時修改；支持實時繪制設計曲線，方便不同方案之間對比查看；支持用戶靈活調整繪圖樣式。

參數化葉片幾何生成：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，嚴格保證表面光滑性；基于自適應算法自動計算最佳控制面和控制點位置充分捕捉幾何細節特征；支持對指定葉片特征線/定位線進行平滑光順；支持直接生成和導出葉片三維曲面CAD模型文件。

結構拓撲參數化及自動計算：完整的參數化結構拓撲（特征線、面）定義；基于參數化定義快速計算出葉片表面上的結構分區特征面和特征線，比如大梁、腹板的面和線；自動對計算得到的所有結構特征實時進行三維渲染并支持任意操作交互；支持完整結構拓撲數據的導入導出。

材料屬性定義及鋪層管理：材料管理器；統一管理材料屬性；任意增刪；支持材料數據的一鍵導入和導出。鋪層方案管理器；便捷的三維鋪層區域定義方式；支持對任意多組鋪層方案進行管理和切換；支持鋪層方案數據的一鍵導入和導出。

截面有限元分析：自動生成截面的有限元網格，并進行網格優化；自動生成截面鋪層；

可實現葉片集中力加載及彎矩加載；快速計算，查看截面應力應變等結果。

截面鋪層及有限元網絡查看：對截面有限元網格密度進行控制和過渡區域優化。比如這是優化之前夾芯和主梁、腹板的糾差，這一塊很不合理。優化之后，夾芯和后緣UD可以按照鋪層的比例進行倒角；基于結構拓撲和鋪層方案信息自動確定截面內鋪層和材料屬性。

截面屬性分析及計算結果查看，支持截面結構屬性計算；對截面屬性以及指定載荷下的截面內應力、應變進行快速計算。

截面看完結果之后，就是葉片整體三維有限元分析：1分鐘之內自動生成完整葉片有限元模型；基于結構拓撲和鋪層區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量進行控制及優化。

（圖示）這是實際網格的展示。

二、風力機葉片根部連接設計平臺

首先說一下背景，我國葉片發展趨勢是：小節圓、大兆瓦、長葉片；葉根連接結構強度不足；技術瓶頸，競爭焦點。葉片本體結構設計沒有任何問題，但是我的葉片連接結構的強度是制約我本體設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； 預埋：螺栓套、A/B部分、平齊/突出)；非線性關系：接觸關系、幾何非線性、材料非線性(螺栓套界面失效)；連接關系：變槳軸承內外圈(三排柱，四點球軸承)，螺栓嚙合，建模復雜；優化參數： (1)螺栓數量、規格、中徑；(2)預緊力；(3)螺栓套外徑、外形、長度、內螺紋深度；(4)變槳軸承類型、厚度；(5) 法蘭的厚度與規格；(6)葉根厚度?？紤]因素：多種規格的螺栓(極限和疲勞)、螺栓套拉拔力、主梁效應等。

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

有限元參數化建模，參數化建模：幾何建模、網格剖分、模型裝配、材料屬性定義、載荷定義全流程參數化；支持2D CAD 繪圖，支持尺寸標注，支持界面直接調整幾何尺寸參數；

參數由一個配置文件統一管理，支持一鍵導入導出；兼容主流葉根結構，支持預埋螺栓和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，兼容不同的幾何結構和網格疏密級別；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，細節方面都是做的很清晰。

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

整合了極限分析和疲勞分析全流程，自動提取迭代步數據結果，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果，自動生成分析報告。

三、行業展望

簡單說一下行業展望，未來陸上葉型發展趨勢：BCD3200-220/230/240，BCD3600-24X/25X/26X。未來海上葉型發展趨勢：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研究；開發并集成風電葉片結構失效分析評估程序。我們下一步亟須的是開發并集成葉片結構失效分析評估的程序。

我的分享到這里，謝謝大家！