CWPC2024：株洲时代新材料科技股份有限公司开发部长刘鹏辉发表《风电叶片关键部件高效优化设计平台开发》的演讲

尊敬的各位来宾、专家、同仁，大家上午好！

我是来自时代新材开发中心的刘鹏辉，我分享的主题是：风力机叶片关键结构优化设计平台，主要分3个部分：风力叶片本体设计平台、风力机叶片根部连接设计平台、行业展望。

一、风力机叶片本体设计平台

我们主流用的软件是Focus、Catia、Hypermesh等，在Focus主要是叶片模型快速建立和叶片结构属性的快速生成。Catia 主要用于叶片外形的建模及叶片模具。工装的三维设计。Hypermesh主要用于叶片网格的绘制或修正。Abaqus 主要用于叶片的有限元仿真计算。Isight 主要用于关键参数的优化设计。各类软件在各自擅长的领域具有相当的优势，专业性非常强，但不同软件界面和特点存在差异，不利于设计人员快速上手。更重要的是它们的输入格式不一致，所以软件之间数据传递存在壁垒，大大降低了叶片关键参数的优化效率。基于从底而上的设计理念，建立适用于风电叶片特色的平台，以减少软件数量，提高设计效率。

我们的整体思路是：完全自主开发，前期设计不依赖外部商业软件或内核；高度自动化的叶片设计、数据管理以及全流程分析；实现底层原生的参数化高效几何内核和高可定制性三维渲染交互引擎；高度模块化及可扩展能力；友好易用的图形用户界面；完善的数据导入导出支持。

平台主页面：程序设置；几何外形；结构拓扑；材料属性；铺层布置；截面分析；三维分析。

翼型方案管理：支持管理任意多套翼型方案，按需选用；每套翼型方案可包含任意数量的翼型截面，任意增删；支持对翼型数据进行一键导入导出以及实时修改；支持实时绘制和比较翼型数据；支持用户灵活调整绘图样式；支持自定义特征点用于参数化叶片生成。

展向分布管理：支持管理任意多套展向布置方案，按需选用；每套展向布置方案包含Chord、Thickness、Twist、Pitch axis 和 Prebend 展向布置数据；支持展向布置方案一键导入导出以及实时修改；支持实时绘制设计曲线，方便不同方案之间对比查看；支持用户灵活调整绘图样式。

参数化叶片几何生成：支持基于任意翼型方案和展向布置方案组合全自动快速生成指定长度的叶片外形；支持基于多种样条算法自动进行截面过渡和展向放样，严格保证表面光滑性；基于自适应算法自动计算最佳控制面和控制点位置充分捕捉几何细节特征；支持对指定叶片特征线/定位线进行平滑光顺；支持直接生成和导出叶片三维曲面CAD模型文件。

结构拓扑参数化及自动计算：完整的参数化结构拓扑（特征线、面）定义；基于参数化定义快速计算出叶片表面上的结构分区特征面和特征线，比如大梁、腹板的面和线；自动对计算得到的所有结构特征实时进行三维渲染并支持任意操作交互；支持完整结构拓扑数据的导入导出。

材料属性定义及铺层管理：材料管理器；统一管理材料属性；任意增删；支持材料数据的一键导入和导出。铺层方案管理器；便捷的三维铺层区域定义方式；支持对任意多组铺层方案进行管理和切换；支持铺层方案数据的一键导入和导出。

截面有限元分析：自动生成截面的有限元网格，并进行网格优化；自动生成截面铺层；

可实现叶片集中力加载及弯矩加载；快速计算，查看截面应力应变等结果。

截面铺层及有限元网络查看：对截面有限元网格密度进行控制和过渡区域优化。比如这是优化之前夹芯和主梁、腹板的纠差，这一块很不合理。优化之后，夹芯和后缘UD可以按照铺层的比例进行倒角；基于结构拓扑和铺层方案信息自动确定截面内铺层和材料属性。

截面属性分析及计算结果查看，支持截面结构属性计算；对截面属性以及指定载荷下的截面内应力、应变进行快速计算。

截面看完结果之后，就是叶片整体三维有限元分析：1分钟之内自动生成完整叶片有限元模型；基于结构拓扑和铺层区域自动定义各类单元集合；基于铺层方案自动定义有限元铺层属性；支持对单元尺寸和质量进行控制及优化。

（图示）这是实际网格的展示。

二、风力机叶片根部连接设计平台

首先说一下背景，我国叶片发展趋势是：小节圆、大兆瓦、长叶片；叶根连接结构强度不足；技术瓶颈，竞争焦点。叶片本体结构设计没有任何问题，但是我的叶片连接结构的强度是制约我本体设计的最重要的一个因素。难点是：部件众多：轮毂、变桨轴承、法兰、连接螺栓、螺母、叶根(打孔：T螺母； 预埋：螺栓套、A/B部分、平齐/突出)；非线性关系：接触关系、几何非线性、材料非线性(螺栓套界面失效)；连接关系：变桨轴承内外圈(三排柱，四点球轴承)，螺栓啮合，建模复杂；优化参数： (1)螺栓数量、规格、中径；(2)预紧力；(3)螺栓套外径、外形、长度、内螺纹深度；(4)变桨轴承类型、厚度；(5) 法兰的厚度与规格；(6)叶根厚度。考虑因素：多种规格的螺栓(极限和疲劳)、螺栓套拉拔力、主梁效应等。

（图示）这是叶根连接平台的截面：程序设置；几何参数；材料属性；载荷约束；求解输出；结果处理。

有限元参数化建模，参数化建模：几何建模、网格剖分、模型装配、材料属性定义、载荷定义全流程参数化；支持2D CAD 绘图，支持尺寸标注，支持界面直接调整几何尺寸参数；

参数由一个配置文件统一管理，支持一键导入导出；兼容主流叶根结构，支持预埋螺栓和T型螺栓，支持双排滚珠轴承和三排滚柱轴承；自动完成滚珠（柱）装配建模，极高的鲁棒性，兼容不同的几何结构和网格疏密级别；兼容不同载荷定义方式，支持“叶根+等效载荷”和“叶片+完整载荷”。

（图示）这是一些模型展示，细节方面都是做的很清晰。

我们的有限元结果可以直接提取及后处理：直接提取有限元计算结果，自动对结果做后处理分析；按需提取疲劳损伤严重的螺栓结果，支持插值计算任意位置的载荷应力幅值；

整合了极限分析和疲劳分析全流程，自动提取迭代步数据结果，直接加载用户输入的Markov矩阵进行疲劳寿命分析；基于极限和疲劳计算结果，自动生成分析报告。

三、行业展望

简单说一下行业展望，未来陆上叶型发展趋势：BCD3200-220/230/240，BCD3600-24X/25X/26X。未来海上叶型发展趋势：BCD4600-260+, BCD5000-260+，BCD5200-300+；超长柔叶片弯扭耦合的计算研究；超长柔叶片粘接失效问题研究；部件级试验构件屈曲破坏测试；叶片全尺寸叶片失效理论及有限元研究；叶根连接强度及新技术研究；开发并集成风电叶片结构失效分析评估程序。我们下一步亟须的是开发并集成叶片结构失效分析评估的程序。

我的分享到这里，谢谢大家！