CWPC2024：三一重能股份有限公司葉片研究院研發項目經理鄒文堯發表《風電葉片鋪層迭代優化的全過程自動化實現》的演講

各位專家大家早上好，我今天帶來的題目是：風電葉片鋪層優化全過程自動化。

我的題目可能和劉總這邊有一點重復，我還會介紹具體實踐的關鍵技術。首先，我會把軟件做一個解釋。再分別介紹一下3個功能，載荷擬合自動化、網格劃分自動化、迭代計算自動化。

1、自動化軟件展示

（圖示）這是載荷擬合的界面程序，這里有一個自動擬合的功能，我們現在載荷的方向比較多，24個方向，點擊一下自動擬合就會把所有載荷全部擬合出來，然后加載力會控制的相對比較小。24個方向總共花的時間大概是1分多鐘，擬合之后直接輸出加載力文件可以直接用。

（圖示）這是網格自動化生成界面，在這個頁面是設置主梁的定位，區域的范圍，還有其他頁面要設置網格的密度，后緣粘接膠寬度，然后點擊生成網格就開始按順序，先生成主梁網格，然后是前緣區后緣區，腹板網格，自動切C口或者燕尾，最后生成后緣實體單元。

（圖示）葉片鋪層前后處理軟件，在前處理頁面，設置了很多的輸入幫助，可以通過點擊以及快捷鍵快速設置鋪層參數，在這頁面點擊更新模型，軟件就開始處理鋪層參數，把ANSYS模型更新，在鏈接ANSYS這個頁面，主要是設置載荷、選擇計算項目提交計算，包括模態、屈曲、極限FF、特征IFF、等效疲勞應變等，在有限元數據頁面，可以三D展示計算結果，屈曲結果可以很多階同時展示，可以方便的查詢屈曲敏感位置和屈曲因子的大小。做自動化的一個主要的目的呢，是規范校核的過程，減少一些低級錯誤的發生，然后能夠極大的提升效率，節約時間。我們的目標呢是能夠做到一鍵更新模型，一鍵開啟優化，目前呢已經基本達到了這個目的。后面就分別講一下這三個軟件是怎么實現的。

為什么做這件事情呢？我們知道葉片做有限元計算，它有幾個特點，第一個主要的特點就是鋪層復雜，葉根的單軸布，雙軸布和三軸布的搭配，主梁厚度分布的調整，腹板鋪層雙軸布和芯材厚度的選擇，是雙腹板結構還是三腹板結構，還是單腹板結構。第二個特點呢是計算項目多，需要計算纖維失效，纖維間失效，纖維疲勞失效，屈曲失效，很多失效計算需要專門編制程序來做后處理計算。第三個特點就是載荷工況多，以前都是四個方向的載荷，后來到現在用的比較多的是12方向，現在有些廠家包括我們已經開始用24方向，方向越多，計算的結果肯定是越精準，但是計算量就會增大很多。除了滿足設計工況之外，試驗工況也要考慮，因為現實條件的限制，試驗工況的載荷通常風險更高，那我們就要計算鋼絲繩拉伸加載下的安全裕度，揮舞和擺振疲勞工況下的應變強度?？偨Y起來就是可控變量多，計算量大。

葉片建模仿真的常規做法，會用到很多不同的軟件，第一個就是幾何前處理的軟件，做主梁定位，腹板建模，邊界線劃分，然后導入到hypermesh或者workbench，或者ANSA中劃分網格，然后使用專業的復合材料插件來做鋪層，比如workbench的ACP，abaqus的鋪層插件，計算呢就是ansys abaqus nastran。那我們能不能把這些功能都集中到同一套代碼里面，當然想取代這些軟件基本是不可能的。我在實現自動化的過程中，最主要的2點原則：第一個是利用好python的資源；第二個是不斷優化操作體驗，自動化程度是沒有止境的。

主要包括幾個方面的設計：界面設計、數據處理、接口。首先我們要編一個簡單的平臺，來實現參數的輸入和計算結果的輸出，然后再增加一些二維顯示和三維顯示的功能，再增加一些控制其他軟件，或者跟其他軟件通信的功能。主要用的編程語言是Python。那可能有的人就會有疑問，一個用Python寫的軟件，如果包含那么多的功能，是不是會運行很慢，容易卡頓？那我這邊的實際經驗可以給出結論，在完成3萬多行的代碼之后，現在這個軟件運行依然非常流暢。比ACP流暢，比abaqus鋪層插件也流暢得多。SSH接口是調用HPC資源來做計算的接口。

2、載荷擬合自動化

現在講第一個內容，載荷擬合的自動化，我覺得有兩個難題需要解決，第一個就是濾波，讓數據變化更平滑，我這邊使用的是sg濾波方法，效果還是比較好的，然后插值的話是用的分段三次hermite插值。界面程序的編寫主要有兩部分，第一個是用pyqt5創建功能窗口，我們用qt設計師就可以很方便地創建一個界面程序，把按鈕，表格拖入到主頁面中就完成了界面設計。當然這個pyqt界面設計要做得好用，還是需要花很多時間去專門學習的。

3、網格劃分自動化

首先使用igspy這個插件，讀取幾何外形導出的igs文件，生成截面坐標點，得到節點的位置，要寫一個算法來做計算。然后使用坐標點得網格單元需要的節點，這里我用的是極坐標下角度與弧長的擬合，配合曲線積分長度求解，來精確得到節點的位置。

（圖示）這是一個對比，代碼生成節點與幾何軟件CATIA生成節點的一個對比，左邊可以看到代碼生成的主梁點的邊界上的點，都在幾何軟件畫的線上，非常一致。右側是一個輔梁定位點的對比，x坐標的差異只有0.007mm，y坐標的差異只有0.019mm，可以說這個偏差是非常小了。得到了后緣截面節點的分布之后，可以很方便的生成實體墊塊單元，這里只需要簡單的向量運算，長度切分，就可以實現，在上下表面，我預留了8mm厚的單元，用于模擬墊塊下的粘接膠。

（圖示）這是生成網格的結果，這個軟件可以在5分鐘之內自動更新一次，支持區域單元集合、邊界線節點集合的自動創建，這是為了方便后面的自動鋪層定位。

4、迭代計算自動化

這邊我們要用到的一個關鍵技術就是做弦向定位，我們設計的算法是這樣，從邊界線節點往一側，一個單元一個單元的求解距離，得到每個單元距離邊界線的近似弧長距離，只要網格足夠精細，這個弧長和幾何曲線的弧長是非常接近的。我們對比過2.7米弦向寬度，它的寬差只有2毫米，這個偏差也是非常小的。右側是一個弦向距離云圖。這個算法解決之后，我們可以輸入庫存參數，自動尋找庫存所需要的單元。

第二個關鍵技術是鋪層轉化為截面，ANSYS和ABAQUS都是基于單元的截面屬性計算，鋪層向截面屬性的轉換可以借助矩陣變換完成。包含單元標記為1，否則標記0，10秒鐘就可以轉換完成，效率非?？?。

模型的精度也要有保證，這里介紹一下芯材厚度的自動修正，也就是倒角，實際生產中，弦向的主梁邊，展向的不同厚度芯材之間都會有倒角，讓厚度過渡更加光順，計算模型雖然做不到實體生產那么精細，但是近似得做一些倒角厚度的調整還是比較容易的。這里只需要考慮單元距離邊界線的長度，芯材的厚度差，把厚度差加上去或減去就可以了。圖中可以看到，做完倒角之后的模型，其材料分布是更接近生產實際情況的。而在我們分析的個別案例中，也發現了倒角后的計算結果與試驗結果更為一致。

在有限元計算中，以ANSYS為例，可以編制固定的命令流代碼用于計算，然后在python環境中，可以使用ansys官方開發的擴展包實現python對ansys的后臺控制，使用.inupt執行命令流完成結構計算。另一種方式是在python中直接執行ansys的python代碼，比如上圖，命令的用法沒有太大差異。

模型的數據我們導出來之后可以簡單做一個變換，3D顯示方面，這里用的是VTK，當然也有其他的插件可以使用，比如openGL。這里要按照VTK的數據格式要求，輸入節點和單元數據，為了便于觀察，我們可以把部分部件的坐標做一些變換，就得到了同一個平面上，SS殼體、PS殼體和腹板同時顯示的效果。計算項設定閾值評估保守區域和危險區域，將零散的單元還原為鋪層參數，繼續優化計算。這個過程類似于金融結構的拓撲優化，哪里材料不足就補哪里，哪里材料多就去掉。里面也可以加一些設置，不能減少的補充之類的。這樣全套軟件就實現不依賴大型的幾何處理軟件，也不依賴網格化軟件，鋪層處理我們可以自己做。未來還有一些值得做的開發方向，比如：網格自適應調整，符合鋪層弦向10mm級容差。統計鋪層數據，引入AI大模型，嘗試更多的設計路線。使用第三方有限元工具，自定義計算單元。批量子模型方法，快速優化局部鋪層。

主要就是這些，謝謝大家！