【解析】風(fēng)電葉片的3D打印系統(tǒng)性高效制造方法

隨著世界性能源危機(jī)日益加劇和全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重,推進(jìn)新能源與可再生能源的開發(fā)利用已是大勢所趨。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,已成為世界各國的新能源發(fā)展的重要方向。葉片作為風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件,其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能保證了機(jī)組的正常運行,也決定了風(fēng)機(jī)的發(fā)電性能和功率。葉片的設(shè)計與制造是風(fēng)力機(jī)組的核心技術(shù),不僅要求葉片具有高效的專用翼型,即合理的安裝角、升阻比、葉尖速比和葉片扭角分布等,又需通過復(fù)合工藝與材料保證其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗疲勞等方面的要求。

一方面,由于空氣動力的復(fù)雜性,葉片外形的精確設(shè)計非常困難。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)多采用正向設(shè)計,即先設(shè)計并完善葉片的幾何外形結(jié)構(gòu)直到滿足相應(yīng)的氣動性能要求。但是正向設(shè)計要面臨很多問題,比如確定所需的氣動特性沿葉展的分布,所需的轉(zhuǎn)子特性不能確定等。采用逆向設(shè)計則能克服正向設(shè)計的不足,通過三維建模與原始的葉片實體模型進(jìn)行比對,實現(xiàn)葉片的設(shè)計驗證,還可以縮短設(shè)計周期和降低制造成本。

另一方面,葉片的制造工藝也經(jīng)歷了從手糊成型到真空灌注成型、從開模成型到閉模成型的過程。外形簡單的小型葉片通常采 用模壓成型的方法,但以低成本方式難以制造包含復(fù)雜幾何形狀以及多種材質(zhì)的葉片,成為葉片制造行業(yè)的發(fā)展瓶頸。而3D打印技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、制造材料豐富、可制造復(fù)雜形狀模型等特點,在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。因此,本文提出了一種風(fēng)電葉片的由逆向三維建模、輔助以有限元分析修正、最終3D打印實現(xiàn)的系統(tǒng)性高效制造方法。

提出風(fēng)電葉片3D打印系統(tǒng)性高效制造方法。首先,采用逆向設(shè)計完成了葉片三維掃描,獲取點云數(shù)據(jù)與三 維模型;通過有限元方法進(jìn)行靜力與屈曲分析,用以結(jié)構(gòu)尺寸的微調(diào);最終,利用3D打印技術(shù)做出了實體樣件模型。結(jié)果證明所提出的方法可行,且在類似風(fēng)電葉片這樣復(fù)雜型面構(gòu)件的高效集成制造與自動化方面具有重要意義。

1制造方法與設(shè)計分析
1.1制造流程
風(fēng)電葉片3D打印系統(tǒng)性高效制造流程如圖1所示。首先,三維激光掃描機(jī)對目標(biāo)葉片進(jìn)行逆向掃描,獲得三維模型并取得特征參數(shù);然后通過有限元仿真,分析在特定載荷環(huán)境中葉片的失效情況,從而進(jìn)行特征參數(shù)的修正,使其滿足使用要求;最終,優(yōu)化的幾何模型通過3D打印技術(shù)制造成為實體。

1.2逆向測量
本文使用的風(fēng)力電機(jī)葉片原型為美國SWWP公司的AirBreeze葉片,具體參數(shù)見表1。 使用的儀器為德國Breukmann的三維激光掃描儀,獲取葉片型面的原始精準(zhǔn)數(shù)據(jù),考慮葉片的邊緣特征提取,對葉片進(jìn)行了貼標(biāo)記點的處理,如圖2所
示。

1.3靜力與屈曲穩(wěn)定性分析
由于有限元法在制造前可預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題,可通過模擬各種實驗方案來減少時間和成本,所以,將有限元法與逆向設(shè)計結(jié)合,通過對葉片的應(yīng)力、變形、疲勞等參數(shù)的分析,能即時對葉片結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行修正。 用有限元進(jìn)行靜力分析時,其理論基礎(chǔ)是變分原理,常見的是最小勢能原理與最小余能原理。對于最小勢能原理,須假設(shè)單元內(nèi)位移場函數(shù)的形式存在 E=U−W

(1) 式中:E為勢能;U為彈性應(yīng)變能;W為外力勢能。 當(dāng)對象被離散成很多單元和節(jié)點之后,各節(jié)點位移構(gòu)成位移列陣δ,泛函E可寫成各單元泛函之 和,E=󰀁 Ei。Ei取決于δi,不同的節(jié)點位移列陣使E值不同,則有 E=E(δ)=E(u1,u2,···,uN)
(2) 式中,ui(i=1,2,···,N)為泛指位移。根據(jù)該條件和E得到N階代數(shù)方程組,求解后得δ。 屈曲穩(wěn)定性分析是指在結(jié)構(gòu)的線性剛度矩陣中引入微分剛度的影響,而微分剛度由應(yīng)變-位移關(guān)系式中的高階項導(dǎo)出。設(shè)結(jié)構(gòu)線性剛度矩陣為Ka,考 慮應(yīng)變-位移的高階非線性微分剛度矩陣為Kd,一般存在有 Ka=PaKd
(3) 式中,Pa代表所施加載荷。對于特定Pa,稱為臨界屈曲載荷Pcr, λ= PcriP
(4) λ為屈曲因子,P為外載荷,所求屈曲臨界載荷為Pcr=min(λi)Pa,當(dāng)其λ<1時,結(jié)構(gòu)失穩(wěn),此時對應(yīng)外載荷為失穩(wěn)載荷。

1.43D打印制造
逆向掃描獲得的葉片三維模型需要轉(zhuǎn)換為3D 打印中的.STL文件格式,經(jīng)過處理后,導(dǎo)入3D打印機(jī)完成實體制造�？紤]到實驗室設(shè)備及葉片結(jié)構(gòu)特性,采用熔融沉積成形(FusedDepositionModeling,FDM)工藝進(jìn)行制作。 FDM工藝選用設(shè)備為國內(nèi)Tiertime公司的InspireD2903D打印機(jī),由于工作臺X-Y平面成形尺寸為255mm×290mm,葉片總長為550mm,所以將尺寸縮小為原始的1/2。考慮葉片外形與支撐去除影響因素,擺放時將葉片沿邊緣豎立擺放,分層厚度設(shè)置為0.1mm,材料為ABSB501絲材,其主要力學(xué)性能參數(shù)為:彈性模量2×103MPa,抗剪模量318.9MPa,質(zhì)量密度1.02×103kg/m3,張力強(qiáng)度30MPa。

2結(jié)果評價
2.1三維模型獲得
葉片逆向掃描獲取的點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

由于測量時難免存在誤差,特別是在葉片邊緣與葉型截面線進(jìn)氣邊等曲率變化劇烈的部位獲得的數(shù)據(jù)會不可靠,故要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并篩選出異常數(shù)據(jù)。通常數(shù)據(jù)預(yù)處理的原則是:
(1)葉身曲線至少保持導(dǎo)矢連續(xù),保證曲線光順度良好,避免出現(xiàn)尖點;
(2)葉面曲線上不允許出現(xiàn)多余的拐點,防止出現(xiàn)局部的突起與凹陷;
(3)曲率變化均勻,避免出現(xiàn)顯著的膨癟現(xiàn)象。 對數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù):
①彌補(bǔ)邊緣缺損的壞面與洞;
②刪除重復(fù)的面片,通過平滑與減少噪聲,最終補(bǔ)償測量誤差帶來的影響,提高模型重建的質(zhì)量。
考慮到葉片根部螺紋孔的特征,在掃描時難以獲取,因此,對螺紋孔進(jìn)行后期的修復(fù)處理,最終獲得葉片的三維數(shù)據(jù)模型。

2.2靜力分析與屈曲模態(tài)云圖
利用有限元分析可以獲得葉片在極限揮舞彎矩下的靜力分析結(jié)果,如圖4所示。從葉片的整體應(yīng)力來看,葉片最大位移發(fā)生在葉尖處,葉根處變形位移最小;而從整體應(yīng)力看,葉根是葉片的主要承力部位。 根據(jù)葉片的整體穩(wěn)定性分析,可以得到不同階的屈曲模態(tài)分析圖,圖5所示為二階屈曲模態(tài)。說明 該工況下葉片不會發(fā)生屈曲,而且隨著載荷的增加,當(dāng)達(dá)到或超過屈曲載荷時,葉片會發(fā)生局部屈曲,主要位置位于葉片最大弦長截面區(qū)域后緣處及靠近葉尖位置的后緣處。

2.3制作的葉片
采用FDM工藝制作完成葉片樣件后,去除支撐材料并進(jìn)行打磨、拋光等后處理,獲得的葉片如圖6所示。 通過測量,獲得樣件的平均尺寸精度約為0.16mm/100mm,葉片原型的原定尺寸精度為±0.18mm/100mm,因此,樣件精度在誤差范圍內(nèi),符合制作要求。

對比材料特性及成形工藝,原始風(fēng)力機(jī)葉片材質(zhì)為尼龍纖維,其主要機(jī)械性能參數(shù)均優(yōu)于FDM工藝方法所用的ABS材料。因此,為了能夠直接3D打印出滿足使用要求的產(chǎn)品,還須對FDM的絲材材質(zhì)進(jìn)行改變或進(jìn)行復(fù)合工藝添加增強(qiáng)相。

逆向工程、有限元分析、3D打印三者有機(jī)結(jié)合,形成了高效系統(tǒng)性的風(fēng)電葉片制造方法;就風(fēng)力發(fā)電葉片的三維建模、失效判定、制造流程的具體環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。實驗證明,這一系統(tǒng)的 方法切實可行,對葉片的即時優(yōu)化和快速生產(chǎn)有很好的參考價值。
(1)我們主要就該系統(tǒng)性制造方法進(jìn)行了具體的實驗,而在葉片幾何特征的提取和修正方面只是給出了初步的功能架構(gòu),具體的實現(xiàn)需要進(jìn)一步的研究。

(2)葉片的強(qiáng)度除了由結(jié)構(gòu)保障外,很大程度上與所使用的材料相關(guān)。雖然3D打印工藝受材料、尺寸精度等條件制約,卻可以很方便地同纖維鋪設(shè)或沉積工藝進(jìn)行復(fù)合,從而實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的制造,這也是今后的研究重點。

編輯：南極熊
作者：吳鏑,劉賽,楊國策,高琪 (上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心）
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