風電葉片的3D列印系統性高效製造方法

最新 06-28

隨著世界性能源危機日益加劇和全球環境污染日益嚴重,推進新能源與可再生能源的開發利用已是大勢所趨。風能作為一種清潔的可再生能源,已成為世界各國的新能源發展的重要方向。葉片作為風力機的關鍵部件,其良好的設計、可靠的質量和優越的性能保證了機組的正常運行,也決定了風機的發電性能和功率。葉片的設計與製造是風力機組的核心技術,不僅要求葉片具有高效的專用翼型,即合理的安裝角、升阻比、葉尖速比和葉片扭角分布等,又需通過複合工藝與材料保證其質量輕、結構強度高、抗疲勞等方面的要求。

一方面,由於空氣動力的複雜性,葉片外形的精確設計非常困難。傳統的水平軸風力機多採用正向設計,即先設計並完善葉片的幾何外形結構直到滿足相應的氣動性能要求。但是正向設計要面臨很多問題,比如確定所需的氣動特性沿葉展的分布,所需的轉子特性不能確定等。採用逆向設計則能克服正向設計的不足,通過三維建模與原始的葉片實體模型進行比對,實現葉片的設計驗證,還可以縮短設計周期和降低製造成本。

另一方面,葉片的製造工藝也經歷了從手糊成型到真空灌注成型、從開模成型到閉模成型的過程。外形簡單的小型葉片通常采用模壓成型的方法,但以低成本方式難以製造包含複雜幾何形狀以及多種材質的葉片,成為葉片製造行業的發展瓶頸。而3D列印技術具有生產周期短、製造材料豐富、可製造複雜形狀模型等特點,在工業上得到了廣泛應用。因此,本文提出了一種風電葉片的由逆向三維建模、輔助以有限元分析修正、最終3D列印實現的系統性高效製造方法。

提出風電葉片3D列印系統性高效製造方法。首先,採用逆向設計完成了葉片三維掃描,獲取點雲數據與三維模型;通過有限元方法進行靜力與屈曲分析,用以結構尺寸的微調;最終,利用3D列印技術做出了實體樣件模型。結果證明所提出的方法可行,且在類似風電葉片這樣複雜型面構件的高效集成製造與自動化方面具有重要意義。

1製造方法與設計分析

1.1製造流程

風電葉片3D列印系統性高效製造流程如圖1所示。首先,三維激光掃描機對目標葉片進行逆向掃描,獲得三維模型並取得特徵參數;然後通過有限元模擬,分析在特定載荷環境中葉片的失效情況,從而進行特徵參數的修正,使其滿足使用要求;最終,優化的幾何模型通過3D列印技術製造成為實體。

1.2逆向測量

本文使用的風力電機葉片原型為美國SWWP公司的AirBreeze葉片,具體參數見表1。使用的儀器為德國Breukmann的三維激光掃描儀,獲取葉片型面的原始精準數據,考慮葉片的邊緣特徵提取,對葉片進行了貼標記點的處理,如圖2所

示。

1.3靜力與屈曲穩定性分析

由於有限元法在製造前可預先發現潛在的問題,可通過模擬各種實驗方案來減少時間和成本,所以,將有限元法與逆向設計結合,通過對葉片的應力、變形、疲勞等參數的分析,能即時對葉片結構細節進行修正。用有限元進行靜力分析時,其理論基礎是變分原理,常見的是最小勢能原理與最小余能原理。對於最小勢能原理,須假設單元內位移場函數的形式存在 E=U?W

(1) 式中:E為勢能;U為彈性應變能;W為外力勢能。當對象被離散成很多單元和節點之後,各節點位移構成位移列陣δ,泛函E可寫成各單元泛函之和,E=?? Ei。Ei取決於δi,不同的節點位移列陣使E值不同,則有 E=E(δ)=E(u1,u2,···,uN)

(2) 式中,ui(i=1,2,···,N)為泛指位移。根據該條件和E得到N階代數方程組,求解後得δ。屈曲穩定性分析是指在結構的線性剛度矩陣中引入微分剛度的影響,而微分剛度由應變-位移關係式中的高階項導出。設結構線性剛度矩陣為Ka,考慮應變-位移的高階非線性微分剛度矩陣為Kd,一般存在有 Ka=PaKd

(3) 式中,Pa代表所施載入荷。對於特定Pa,稱為臨界屈曲載荷Pcr, λ= PcriP

(4) λ為屈曲因子,P為外載荷,所求屈曲臨界載荷為Pcr=min(λi)Pa,當其λ

1.43D列印製造

逆向掃描獲得的葉片三維模型需要轉換為3D 列印中的.STL文件格式,經過處理後,導入3D印表機完成實體製造。考慮到實驗室設備及葉片結構特性,採用熔融沉積成形(FusedDepositionModeling,FDM)工藝進行製作。 FDM工藝選用設備為國內Tiertime公司的InspireD2903D印表機,由於工作台X-Y平面成形尺寸為255mm×290mm,葉片總長為550mm,所以將尺寸縮小為原始的1/2。考慮葉片外形與支撐去除影響因素,擺放時將葉片沿邊緣豎立擺放,分層厚度設置為0.1mm,材料為ABSB501絲材,其主要力學性能參數為:彈性模量2×103MPa,抗剪模量318.9MPa,質量密度1.02×103kg/m3,張力強度30MPa。

2結果評價

2.1三維模型獲得

葉片逆向掃描獲取的點雲數據如圖3所示。

由於測量時難免存在誤差,特別是在葉片邊緣與葉型截麵線進氣邊等曲率變化劇烈的部位獲得的數據會不可靠,故要對點雲數據進行預處理並篩選出異常數據。通常數據預處理的原則是:

(1)葉身曲線至少保持導矢連續,保證曲線光順度良好,避免出現尖點;

(2)葉面曲線上不允許出現多餘的拐點,防止出現局部的突起與凹陷;

(3)曲率變化均勻,避免出現顯著的膨癟現象。對數據進行修復:

彌補邊緣缺損的壞面與洞;

刪除重複的面片,通過平滑與減少雜訊,最終補償測量誤差帶來的影響,提高模型重建的質量。

考慮到葉片根部螺紋孔的特徵,在掃描時難以獲取,因此,對螺紋孔進行後期的修復處理,最終獲得葉片的三維數據模型。

2.2靜力分析與屈曲模態雲圖

利用有限元分析可以獲得葉片在極限揮舞彎矩下的靜力分析結果,如圖4所示。從葉片的整體應力來看,葉片最大位移發生在葉尖處,葉根處變形位移最小;而從整體應力看,葉根是葉片的主要承力部位。根據葉片的整體穩定性分析,可以得到不同階的屈曲模態分析圖,圖5所示為二階屈曲模態。說明該工況下葉片不會發生屈曲,而且隨著載荷的增加,當達到或超過屈曲載荷時,葉片會發生局部屈曲,主要位置位於葉片最大弦長截面區域後緣處及靠近葉尖位置的後緣處。