CWPC2024：北京航空航天大学教授关志东发表《复合材料结构设计与制造关键技术研究》的演讲

各位领导、各位专家、各位嘉宾，大家好！

我报告的题目是：复合材料结构设计与制造的关键技术，这个报告题目也是和组委会商量之后确定的。主要这4个方面内容做一个交流，这4条写的很多，但其中主要关于风电叶片相关技术发展，这一部分内容拣选出来。

一、研究背景

说到风电叶片，这个会开了十届，我第一次参加，20年前时我们就与风电行业有接触，当时我们承担了550复合材料桨叶的项目，那时候保定地区就有一些叶片厂，我们与他们做了一些交流。与当时的情况比，今天从装机容量到叶片直径上都有了巨大的进步，这些进步从今天来看还是有赖于复合材料高水平的应用。

复合材料可以说是一个最完美的材料，对于叶片来说。它的这些性能和叶片设计和使用要求相对来说有非常完美的匹配，刚才各位领导也说复合材料应用现在已经进入成熟期，尽管我们取得了很伟大的成就。但面对我们国家风电新的发展形势，我们还是面临着发展的压力，技术方面还有一些突破的可能性和突破的空间，后面我就围绕这些方面和大家做一个交流。

二、复合材料设计技术

首先有可能的突破空间就是复合材料的设计技术，传统的设计准则就是中间这幅图的三角形面积。（图示）这幅图实际上是一个材料性能的设计域，在小三角形范围内这些点才是我们目前风电叶片所采用的材料性能设计域，也就是说这些点是我们目前可以采用的性能设计点。实际上我们现在复合材料技术发展，包括材料性能发展，以及自动铺丝等工艺发展完全可以突破传统的三角形设计限制。突破什么程度呢？我们看设计域的拓展就可以为叶片减重带来很大的可能性。事实上国际国内已经做了很多这方面的研究，我们有一个4层的板，我们看纤维的铺设角，传统的铺设角度都是0度、正负45度和90度。现在我们就突破这种约束，可以设计成任意角度的铺层，把铺层组合起来就形成了最右侧的承合板，当然我们有代价，使每个不同角度都有变的，设计成本有一定提升。不管怎么说，我们采用一定的技术以后，实际上可以解决这个难题。如果这个设计准则实现突破的话，可以大幅度减轻复合材料叶片的重量。

（图示）这个公式大家很熟悉，如果突破9度、45度、95度、正负45度限制，甚至突破对称均衡限制的话，A的取值范围会进一步扩大，同时会有B矩阵和D矩阵，实现拉弯耦合。它能带来什么好处呢？这就是我们的研究成果，采用了变刚度设计方法，纤维束曲线的铺设。就把加筋板失效的模态控制它，在B的情况下是传统的设计准则，满足一定强度情况下它的铺层是20层，如果采用V1-V6，我们用16、15层就可以达到和20层相对的力学性质，这样减重降低20%，达到这样的量级。再是实现了弯扭耦合，提高了它的气动性能，这样就可以控制叶片在实际工作中，尤其是复杂风场、大功率情况下的变形，能够实现最优的气动外形，这也是突破传统设计准则带来的一个好处。再是控制它的固化变形，只要突破对称均衡的准则，叶片固化变形是很容易控制的。如果要突破它的话付出的代价就是设计变量大幅度增加，这时候要采用一些新的设计手段，尤其是人工智能、机器学习的手段，这方面我们已经做了相关研究，证明确实是可行的。

三、智能结构技术应用

智能结构技术应用说来已经有很长历史，从航空角度已经有20多年。智能结构其实就是它的探测器、数据处理，以及预警装置等，实现桨叶一旦出现紧张了我们及早发现。这是我们的研究结果，可以把复合材料内部的典型损伤，以及对力学的性能影响做一个研究，当然通过实验研究和计算模型进行研究。我们把受力情况下不同损伤状态板子的响应通过神经网络记录下来，就可以实现对叶片损伤的准确预测，这也是我们前期做的一部分工作，效果非常惊人的，它的预测精度能达到95%，也就是说比传统的预测方法精度大幅度提升。

（图示）这是声发射得到的信号和人工智能方法结合起来，探测叶片的损伤，也就是这方面研究一直在做。

（图示）这是丹麦技术大学智能结构的应用，主要是探测叶片损伤部位在工作时有一个不同的温度，相当于正常的结构，没有损伤的结构，损伤部位温度有一定提升。通过热成像技术定位损伤，然后把热成像相关数据通过一套数据处理系统判断桨叶的损伤。

我们提出的研究方法，只要通过一个简单的测距系统，因为叶片一旦严重损伤之后它的刚度会变化，在正常工作的时候，叶片的姿态和上面点的运动轨迹就会发生变化。我们仅仅是通过监测运动轨迹的变化，就能判断叶片的损伤，尤其是叶片发生严重损伤，临近损毁的状态，我们可以把这套系统和叶片这套刹车系统结合起来，就能制止刚才叶轮的图片，整个损毁状态就会出现。这套装置非常便宜，我们预测大概几万块钱就可以装配这套系统。

四、制造变形控制

变形是完全不可避免的，这是由复合材料本身特点决定的。它的影响因素又特别复杂，所以这方面研究已经做了很多，很多的研究工作。这部分也是我们开展的一部分研究工作，我们从变形原理上做了分析，分成3个分析模块去处理这个问题。每个模块又涉及到好多参数，用了这套方法可以比较准确预测固化变形。相对变形来说，我们目前变形测量方法也有很多不科学的地方，我们又提出了一套面对装配变形的测量方法，也把这套思路用一套软件做了实现。根据不同的变形，我们可以通过这套虚拟装配技术，叶片在装配之前我们就提出一套优化的装置方案，比如电片的位置、电片的尺寸，以及装配的次序，甚至吊装和夹层的位置等，把这些因素结合起来实现叶片的个性化装配，因为每个叶片变形是不一样的。

（图示）这是变形的软件分析，我们在航空工业几个大的场所都在用这套软件做了一些变形分析。它比较突出的两个作用：一个是铺层设计时可以减小它的变形，对这种铺层进行工艺变形的优化设计。另外一旦出现变形时，我们可以自动设定修模的数模，怎么去修复它一下。当然对叶片，可能每个模具进行修模不容易，我们更强调设计阶段时尽量减少它的变形。再结合智能化的装配技术，就可以满足叶片的高质量制造。

五、维护和损伤检查

我们飞机也是大量用的复合材料，产品一旦交付了就脱离不了维护和检查这方面的工作。维护和检查的这套思路不管在航空工业还是叶片工业，其实是一套思路。首先要发现损伤，判断对这种损伤的评估，对力学性能的影响，再决定它的修理方法、维护方法等。目前这套检测方法主要是目视检测方法，我们现在把这套检测方法通过图像识别和机器学习办法做了一些改进，只要在飞机的翼面，当然对应叶片进行照相就可以了。通过图像识别的办法，就可以比肉眼精度更高，能够发现这些损伤的存在。一旦发现损伤存在之后，我们再通过C扫，当然对叶片来说，这些检测方法可以结合无人机的技术，进一步确定它的损伤程度。

当然C扫输出的只是一些图片，我们把图片输入到经过训练的神经网络系统里，就可以直接输出损伤，即时就可以确定损伤对叶片性能的影响，就可以采取相应的措施。比如可以减速甚至停机等，只要检测就可以马上得出结论了。我们把这套系统结合到便携设备中，把软件和硬件结合起来，只要发现损伤之后就可以直接得出结果，就可以把这套检测程序完全软件化，可以和检测设备结合起来。典型的修理方法，贴补、挖补法都有，我们航空也是用这套方法做的处理。我刚才说的系统直接可以出设计方案，而且我们有一套软件分析平台，可以直接把修理方案和评估报告提供出来，我觉得这套研究方法可能对风电发展也会有一定作用。

谢谢大家！