随着世界性能源危机日益加剧和全球环境污染日益严重,推进新能源与可再生能源的开发利用已是大势所趋。风能作为一种清洁的可再生能源,已成为世界各国的新能源发展的重要方向。叶片作为风力机的关键部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能保证了机组的正常运行,也决定了风机的发电性能和功率。叶片的设计与制造是风力机组的核心技术,不仅要求叶片具有高效的专用翼型,即合理的安装角、升阻比、叶尖速比和叶片扭角分布等,又需通过复合工艺与材料保证其质量轻、结构强度高、抗疲劳等方面的要求。
一方面,由于空气动力的复杂性,叶片外形的精确设计非常困难。传统的水平轴风力机多采用正向设计,即先设计并完善叶片的几何外形结构直到满足相应的气动性能要求。但是正向设计要面临很多问题,比如确定所需的气动特性沿叶展的分布,所需的转子特性不能确定等。采用逆向设计则能克服正向设计的不足,通过三维建模与原始的叶片实体模型进行比对,实现叶片的设计验证,还可以缩短设计周期和降低制造成本。
另一方面,叶片的制造工艺也经历了从手糊成型到真空灌注成型、从开模成型到闭模成型的过程。外形简单的小型叶片通常采 用模压成型的方法,但以低成本方式难以制造包含复杂几何形状以及多种材质的叶片,成为叶片制造行业的发展瓶颈。而3D打印技术具有生产周期短、制造材料丰富、可制造复杂形状模型等特点,在工业上得到了广泛应用。因此,本文提出了一种风电叶片的由逆向三维建模、辅助以有限元分析修正、最终3D打印实现的系统性高效制造方法。
提出风电叶片3D打印系统性高效制造方法。首先,采用逆向设计完成了叶片三维扫描,获取点云数据与三 维模型;通过有限元方法进行静力与屈曲分析,用以结构尺寸的微调;最终,利用3D打印技术做出了实体样件模型。结果证明所提出的方法可行,且在类似风电叶片这样复杂型面构件的高效集成制造与自动化方面具有重要意义。
1制造方法与设计分析
1.1制造流程
风电叶片3D打印系统性高效制造流程如图1所示。首先,三维激光扫描机对目标叶片进行逆向扫描,获得三维模型并取得特征参数;然后通过有限元仿真,分析在特定载荷环境中叶片的失效情况,从而进行特征参数的修正,使其满足使用要求;最终,优化的几何模型通过3D打印技术制造成为实体。
1.2逆向测量
本文使用的风力电机叶片原型为美国SWWP公司的AirBreeze叶片,具体参数见表1。 使用的仪器为德国Breukmann的三维激光扫描仪,获取叶片型面的原始精准数据,考虑叶片的边缘特征提取,对叶片进行了贴标记点的处理,如图2所
示。
1.3静力与屈曲稳定性分析
由于有限元法在制造前可预先发现潜在的问题,可通过模拟各种实验方案来减少时间和成本,所以,将有限元法与逆向设计结合,通过对叶片的应力、变形、疲劳等参数的分析,能即时对叶片结构细节进行修正。 用有限元进行静力分析时,其理论基础是变分原理,常见的是最小势能原理与最小余能原理。对于最小势能原理,须假设单元内位移场函数的形式存在 E=U?W
(1) 式中:E为势能;U为弹性应变能;W为外力势能。 当对象被离散成很多单元和节点之后,各节点位移构成位移列阵δ,泛函E可写成各单元泛函之 和,E=
