闻“风”“索”动，天赋必“达”｜3D体验平台赋能风电叶片研制创新与转型
自2010年以来，世界见证了可再生能源的加速部署，其增长速度已超过全球每年新增的常规电力容量。按国家能源局的解读，至“十四五”末，可再生能源在全社会用电量增量中的比重将达到2/3左右。
作为可再生能源的主力，风电将迎来新的“机遇”之战。随着风机单机容量逐渐增大，叶片尺寸呈大型化趋势，叶片设计面临的考验包括：
◎ 如何优化叶片设计质量，包括“减重”，“结构优化”，“可靠性分析”及“提升设计质量”？
◎ 如何加速叶片设计效率，利用工具进行叶片自动建模，整合其他叶片设计专业工具、建设叶片设计知识工程体系？
◎ 如何构建完整的叶片设计制造体系，实现叶片“设计 -> 仿真 -> 制造”体系的一体化与数字化？
无论从开发周期、开发技术，还是开发成本方面，叶片研制都需要有革命性的创新和突破来适应研制转型的需要。
图1 传统的叶片开发流程
较大的风机叶片不仅可以在发电量上有所突破，还可以促进用于大型叶片开发的结构设计、材料、生产工艺等技术的进步。然而，叶片加长会带来新的挑战，如何制造出强度高且重量轻的叶片，成为叶片企业考虑到话题。
传统叶片设计面临的问题包括：
数据间未实现关联，手动转换存在重复劳动和一致性风险；
叶片曲面修型光顺能力可进步提升；
基于3D的协同设计薄弱，无3D铺层模型，设计-仿真-工艺的数据转换工作量大（2D导向）；
3D CFD 缺失，难以实现气动噪声+ 长叶片的非线性+局部校核 + 应变分析；
难以实现叶片的多目标优化；
缺乏工艺可行性验证手段，作业指导书手工编制，耗时，准确性差；
缺乏有效的调装/工装仿真验证手段；
难以对全流程重量实时监控。
叶片开发技术涵盖设计、工艺、制造、检测等环节。主要的目标包括：
设计端：追求更高的AEP，更低的LCOE，结构轻量化和可靠的雷电保护系统；
工艺端：追求设计无缝衔接、工艺无纸化、制造过程可仿真、关键节点可验证；
制造端：追求高精度、高效率、低成本及智能化的制造系统；
检测端：追求全面化、无纸化、可视化、虚拟化、自动化的无人检测系统。
开发技术最前端翼型开发，在最开始的时候应该要考虑到结构和工艺，在相同负荷水平下，AEP达到最高，同时度电成本最低，最大限度减少在污染条件下性能的下降及追求更高的可制造性。
叶片数字化设计实现：
设计快速生成，建模方法与坐标系，避免错层；
后缘梁的模拟分析，进行一层一层的分析；
铺层完后某个截面分开厚度分析；厚度错层检查，干涉检查；
铺层设计与工艺的衔接，铺层支撑、模拟校核；
铺层的校核分析，能否满足校核标准。
图2 叶片复材设计
降低叶片重量的方法之一是在复合材料铺层中采用更多的碳纤维，但这样会导致材料成本大幅增加。
另一种更可行的方法就是改进芯材性能、树脂体系以及蒙皮和芯材的粘结效果。这样可以降低叶片重量、延长叶片寿命，同时还可以缩短生产周期，降低成本。
在叶片3D设计、铺层定义，以及进行梁3D设计的同时，可以进行叶片重量、重心、质心的计算与检测。
图3 叶片协同设计与重量检测
叶片减重与监控实现：
3D概念模型作为基本体重和COG信息的载体；
通过全三维的叶片设计，实时自动计算重量、重心和惯性矩阵；
建立，测量和分析重量与平衡指标，以有效地推动概念设计；
监视和控制概念设计重量与平衡信息的成熟度；
有效地管理和优化概念设计的重量，并确保符合法规需求。
基于统一平台，能够实现叶片复材设计仿真的一体化，以提高仿真速度与迭代效率。设计仿真一体化包括：
以设计得到的叶片结构和铺层数据为基础，在CAE中进行有限元模型的前处理；
对结构区域进行必要的划分，以实现载荷的施加和网格的划分；
根据截面的载荷数据，施加在叶片相应截面上，载荷的耦合区域应合理体现风载的分布情况；
对叶片进行模态求解，提取频率和模态；
利用一体化平台进行仿真数据的查看等。
图4 深度融合的多尺度叶片结构分析
此外，可以基于不同的风场工况，对风电机组叶片气动噪声产生的机理与分布特性进行研究分析，以得到叶片的降噪方法。
叶片数字化工艺是借助叶片3D模型，进行铺层作业工艺编制、优化，以减少叶片工艺编制难度与制造错误：
通过叶片铺层工艺规划与3D仿真，减少产品和设备的原型样车数量；
最大化空间和设备利用率，提高工厂产能和安全性；
按照目标运转时间定义、规划、优化装配生产线；
在计划阶段的早期就已经确定叶片铺层的可行性；
更好的作业指导书质量，支持复杂产品和过程方案的工作说明。
在数字化设计与工艺的基础上，可以构建叶片虚拟工厂，来对叶片制造过程进行有效的铺层仿真与验证，降低铺层操作错误，提高铺层效率：
通过虚拟3D仿真验证制造工艺计划
在有或没有资源上下文和行为的情况下模拟流程计划
确定最佳的组装顺序和组装方法
确保在车间进行可靠和安全的生产执行
叶片的开发周期可以简单分为三个阶段，即设计阶段、制造阶段和测试阶段，通常要40-80周。每一个阶段之间很多工作都可以同时进行，比如设计阶段和制造阶段有很多时间可重叠，叶片外形确定后可以做结构设计和模具开发。结构设计的同时做工艺设计，开展工艺实验，材料认证、设备认证等等，从而大大缩短开发周期。
如何建立起能够串联设计、制造、检测的闭环系统，即根据设计输入，结合生产工艺、制造精度和经验参数进行建模，运用数据分析、机器学习、人工智能和光学系统实现各个环节的互联，将大大提高叶片研发效率。
图5 叶片复材数字化协同设计系统
基于3D体验平台的数字化协同能力建设还包括：
所有工作都是在数字环境中进行的；
所有数据均由数据管理系统控制；
数字平台链接在一起形成强大的数字线程
◇ 需求与D-FMEA管理；
◇ 叶片表面光顺；
◇ 有限元分析；
◇ 材料库管理；
◇ 3D和2D模型并存；
◇ 铺层定义、铺层手册、芯材设计；
◇ D-BOM、M-BOM定义；
◇ 叶片制造工艺、激光照排文件设计；
◇ 控制计划和控制图管理；
◇ 流程图、P-FMEA和工作指导书管理；
◇ 叶片工艺与工厂仿真；
基于数字主线实现叶片研制端到端的数字线协同将实现：
以产品生命周期管理作为骨架主线；
基于单一数据源，实现实时的设计变更影响分析；
将不同软件供应商的工具软件整合到一个平台上流畅运转；
打通叶片研制上下游，实现基于数据驱动的研制管理。
基于模型的叶片数字化解决方案将为企业带来叶片研制质量、效率、管理等方面的提升。通过单一的数据源模型贯彻相关专业及上下游部门，实现叶片设计-仿真-制造-检测融合并结合多目标优化，并通过叶片实时的重量指标检测以及基于网页的叶片3D数据审查，可实时掌控叶片研制项目状态，从多方面实现叶片研制数字化转型。
图6 3D体验平台赋能风电叶片端到端数字化转型方案
来源：达索系统
