李占营：浅谈大叶片结构的轻量化与可靠性设计

 

李占营：尊敬的与会来宾，我是来自中材科技风电叶片股份有限公司的李占营，很高兴有机会在这里和大家浅谈风电叶片、大型叶片结构的轻量化与可靠性设计的专题。报告分三个部分：第一部分，大型叶片结构设计挑战与挑战。第二部分，围绕解决挑战结构设计方面的措施及一些思考。第三部分，未来大型风电叶片结构设计的想法。“十四五”以来全球风电行业向好，双碳目标为未来的发展制定了方向。但是，随着风电的平价上网，风电价格持续走低、风轮直径持续增加，运行环境的复杂也为结构设计提出了挑战，如何平衡成本、效率、结构和工艺之间的矛盾，如何在保证叶片可靠性的前提下去实现叶片的轻量化是摆在结构设计人员前面的重要课题。

风电叶片是由主梁、腹板、蒙皮等通过粘接连接形成大型结构，如何实现它的轻量化，从结构角度来看，应该从气动、材料、工艺和结构协同上下游共同创新，一起来实现叶片结构的轻量化和可靠性。结构设计的探索主要围绕上下游如何一起创新开展的。

结构设计方面如何协同上下游一起解决轻量化和可靠性问题。

首先，气动方面，随着风电叶片尺寸增大，环境复杂化，柔性气弹问题逐渐成为气动结构一起设计的难题，成为叶片的瓶颈。如何协调在叶片和主机迭代过程中的重量、载荷和发电量多个目标的优化问题，这是我们探索方向。为此，我们展开了一系列基于气动结构一体化的设计技术，在机组设计过程中进行气动和结构的深度迭代来满足多学科、多目标的优化的问题。

第二，新材料方面。通过引进高膜玻纤和PET材料协同创新，实现新材料的应用，以686为例，从早期叶片19.4吨，到最新版本12.9吨，实现33%的重量的降低。新材料方面，比如碳玻混、碳纤维主梁及拉挤玻纤主梁的应用为叶片的重量减轻提供了新的途径。未来，国产碳纤维的应用为叶片进一步轻量化提供了选择。

第三，制造方面，通过自动化和智能化装备的使用，比如将传统的吊带脱模改进成吸盘起模工装，将人工打磨转为自动打磨机器人，降低叶片在流转过程中的损失。另外，基于制造影响评估及精确定位设备的应用，降低了由于制造容差影响的ΩM3的系数，包括激光投影设备、电动铺布车，这些应用使制造过程更加可控，从而降低了叶片在制造过程中的预度。

第四，精细化结构设计。这里包含两个方面，一是更准确的分析方法降低Ωm4的系数，更精确的载荷降低Ωm5的系数。通过这两个方面的努力，我们通常能够针对不同的失效模式达到一定程度的减重，比如纤维疲劳降到30%左右，全局稳定性能降低25%左右。

（PPT图示）更准确的分析方法，通过将传统以极限强度M值为基础简化的疲劳算法，改成多SN算法，减少由于疲劳预度引起的不必要的增重。另外，通过非线性稳定性分析技术在叶片设计过程中的应用取代部分传统的线性稳定性分析。一方面提高了失效模式预测的精度，另一方面可以实现一定程度的减重。这些精细化设计的方法通常在全尺寸叶片设计中验证的话代价比较高，不能实现所有失效模式的验证。所以在近年来我们做了一系列的以积木式方法为基础的部件测试验证，包括腹板和主梁粘接部件实验，包括后缘整体失稳的大部件测试。具体叶片方面，壳体和腹板是通过粘接连接，而粘接连接又是薄弱环节，传统都是基于简化分析方法，我们通过进一步基于断裂力学的分析思路方法引入到结构设计中，通过G1C、G2C测试，到腹板主梁玻璃测试及后缘拉伸玻璃测试验证分析方法，逐步应用到结构设计过程中。

稳定性部件测试方面，这是后缘大部件的极限测试，全尺寸测试代价很高，通过部件测试的手段不仅能够准确地验证失效模式，同时能够以较低的成本实现测试。在这个过程中消化引入一些DIC测试技术，帮助我们更好地理解结构的非线性的响应行为。

精细化设计的另一方面是更精确地载荷，通过将传统的极限四方向载荷的设计更新设计为以十二方向或者二十四方向的POLAR载荷设计，不仅提升了设计抗失衡设计许用值，同时减轻了结构的重量。

在结构设计创新方面，为了解决陆上叶片运输困难和运输成本占比比较高的问题，我们近年来做了一些探索，为了解决中东南地区复杂地形及高速路限制问题，我们进行了分段技术的探索，包括以机械连接、粘接连接不同连接方式的经济性的研究，以及技术可行性的研究，期望陆上大叶片的运输问题得到一定问题的解决。

以上从气动结构一体化、新材料的开发引进及制造过程控制及结构精细化设计、创新设计几个方面对近年来在结构设计领域保证可靠性的前提下实现叶片轻量化的探索，最后再提几点思考。

第一，对于设计技术及工具的思考。为了解决气动结构一体化问题，如何基于商业软件或者自研的工具建立起气动结构一体化设计体系，把它融入到与主机迭代过程中实现多学科、多目标综合优化的目的。这是探索的方向。

新材料领域有两个点：1、如何以最小必要的测试加快新材料的开发及产业应用来服务于越来越快的产品开发周期。2、如何根据新材料的性能进行针对性的叶片结构设计，比如引入热塑性树脂如何针对它的性能特点进行叶片的结构设计。

第三，制造过程控制方面，如何基于设计容差完善制造过程控制，降低叶片制造成本同时提高可靠性，该严的地方严，该松的地方松下来，这是我们努力的方向。

第四，结构设计分析方法，如何将设计部件测试设计方案实现目标失效模式下分析方法的验证，虽然我们做了一些尝试但还有很多工作值得研究和探索，进一步将分析方法的精度及验证工作做得更好，更好地为叶片产品开发过程服务。最后，如何基于断裂力学或非线性稳定性高精度但高成本的设计技术应用到产品的开发迭代过程中，因为他们的成本或者需要的时间比较多，如何将其有效地融合到现在的快速平台开发叶片设计的迭代过程中，这是我们考虑和努力的方向。

以上是我的报告，谢谢大家的聆听。

（文章内容来自于现场速记，未经本人审核）