风机叶片RTM工艺模拟分析及其优化

　　复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性有，要求具有长期在户外自然环境条件下使用的耐侯性和合理的价格。因此，叶片的设计和质量十分重要，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。传统复合材料风力发电枫叶片多采用手糊工艺（Handlay-up）制造。手糊工艺生产内机叶片的主要缺点是产品质量强烈依赖于工人的操作熟练积蓄及环境条件，生产效率低而且产品质量波动较大，产品的动静平衡保证性差，废品率高。叶片在使用过程是由于手糊工艺过程中的含胶量不均匀、断裂和叶片变形等问题。此外，手糊工艺过程伴有大量有害物质和溶剂的释放，有环境污染问题。因此，目前国外高质量复合材料风机叶片往往采用RTM（聚胺酯反应注射成型）、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造。其中RTM工艺适宜中小尺寸风机叶征是首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体（Preform），采用注射设备将专用低粘度注射树脂体系注入闭合模腔，排气系统保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具的加热系统可使树脂加热固化而成型复合材料构件。RTM工艺属于半机械化的复合材料成型工艺，特别适宜一次整体成型的风力发电机叶片，无需二次粘接。与手糊工艺相比，其节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低。同时由于采用低粘度树浸润纤维以及加温固化工艺，复合材料质量高，且RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平，工艺质量仅仅依赖预先确定好的工艺参数，产品质量易于保证，废品率低。
　　 RTM工艺的技术含量高，无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数（如注射压力、温度、树脂粘度等）的确定与实施，都需要在产品生产前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。模拟似真作为RTM工艺的关键技术发展迅速，等温和非等温条件下一维、二维、三维的模拟仿真模型已经被提出。江顺亮采用了RTM工艺自主开发的软件系统，成功地产现了RTM工艺中树脂流动充模过程的模拟仿真。模拟仿真步骤：首先利用RAT-RAN软件建立构件的有限元模型；然后将有限元模型数据导入计算软件中进行计算；最后再利用PATRAN软件对计算所得数据进行后处理，并实现流场和压力场的显示。通过专业分析进而对具体工的工艺参数进行优化。

    1　数学模型
    在RTM工艺中假设预先铺设在模腔中的纤维增强材料为刚性体，树脂为不可压缩牛顿流体，忽略表面张力的影响；由于模腔尺寸远大于纤维毡的孔隙，因此树脂在闭合模腔中的流动行为可用牛顿流体通过多孔介质的流动过程来描述，描述树脂流动行为的达西定律可表示为:

    其中：u、v和w是3个速度分量，kij(i,j=x,y,z)
    笛卡儿坐标下渗透率张量。假设树脂和纤维的密度不变，即树脂为不可压缩流体，为了保持枝脂的质量平衡，速度场必须满足散度条件: