CN111070729B - 一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，涉及非金属复合材料加工成型技术领域，本发明通过规避理论计算与实际情况之间的不可控偏差，采用特殊的技术方法，利用叶片壳体成型后的实际外形，测试、拟合出相应的腹板模具三维外形，消除影响变量，达到提高腹板模具设计精度和腹板粘接间隙的一致性的目的，同时减少腹板模具制造的调节周期、降低开发成本和后期叶片制造的粘接成本。

Description

一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法
技术领域
本发明属于非金属复合材料加工成型技术领域，具体涉及一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法。
背景技术
风电叶片作为风力发电机捕捉风能的直接部件，通常要求具有良好的空气动力学外形，而其作为功能部件，又必须具备轻质、高强等结构特点，这就使风电叶片通常设计为外形闭合、内部空心的结构。为了保证叶片有足够的刚度，在叶片设计的时候内腔中都有一个或多个腹板对叶片内腔进行支撑，从而使叶片内部形成一个工字梁结构，达到相应的刚度和强度要求。
风电叶片尺寸通常较大（目前最大的风电叶片已经达到107m长），大型风电叶片的制造一般是先分别成型叶片的两个半片：迎风面和背风面，然后通过腹板以及其他粘接部件将两个半片粘接在一起。由于性能需要，腹板的整体粘接间隙都需要控制6±4mm以内，这就需要在腹板模具设计的时候有很高的精度，增大了腹板模具设计的难度。
目前风电叶片腹板模具的常规设计方法为：先在叶片三维模型上截取一组特定的截面翼型，模拟计算腹板粘接区域的叶片壳体铺层的厚度，并预留粘接间隙；计算出对应截面的腹板外形坐标，生成腹板的三维模型，并加工出腹板模具；生产首个腹板产品，然后在壳体半片上进行试安装，测试间隙或使用胶黏剂试压轮廓；最后根据间隙情况或试压的胶黏剂轮廓调整腹板模具，并重新生产腹板，再次进行试安装、测试、调整模具等操作，直到间隙全部合格为止。
由于叶片在不同位置的铺层层数不一致，且叶片采用真空灌注成型工艺，制品各个区域的真空度存在细微差别，导致不同位置的铺层单层厚度数据不一致，另外大型模具经过运输、安装后和理论外形会存在一定偏差，最终使通过铺层结构和模具理论外形计算出来的腹板模具尺寸与实际的情况存在差距，导致腹板粘接间隙需要多次调整腹板模具才能满足要求，腹板模具设计的准确性、间隙的波动性存在较大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，解决目前风电叶片腹板模具一次设计准确性不高，间隙波动大，且模具调整周期长、难度大等问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，包括以下步骤：
1）对生产叶片迎风面和背风面的模具进行标定：将模具在空模时调至合模状态，然后在模具法兰边非制品区域标出不少于4组标定点，作为后期计算机拟合的基准点；
2）迎风面壳体半片以及背风面壳体半片的制作；
3）内腔外形采集及模型化：在步骤2）得到的迎风面壳体半片以及背风面壳体半片内部标示出腹板粘接区域，选择放置三维激光跟踪设备的位置并在该位置放置三维激光跟踪设备，保证三维激光跟踪设备在该位置能够扫描到叶片内部腹板粘接区域所有的点，使用激光接收球靶先记录模具上的标定点位置，然后在叶片内部腹板粘接区域从根部至尖部方向呈S型路线进行扫掠，导引三维激光跟踪设备上的激光发生器发射的激光束随激光接收球靶移动，并由三维激光跟踪设备在计算机上自动记录扫掠的路线结果，得到叶片迎风面、背风面腹板粘接区域实际外形曲线，并将该外形曲线导入三维软件拟合生成相应的迎风面内腔曲面模型和背风面内腔曲面模型，此时两个半片的内腔模型分别处于两个不同坐标系之下；
4）腹板模型拟合计算：使用迎风面和背风面的标定点位置，对分别处于两个不同坐标系下的迎风面内腔曲面模型和背风面内腔曲面模型进行处理，利用多组标定点进行拟合，将其转化成在同一坐标系下的整体模型；然后在整体模型上截取出腹板的位置，导出该位置的壳体内腔轮廓，经过修订、光顺，剔除测量数据采集误差点，然后设定合适的粘接间隙值，通过计算机按照特定算法进行计算，得到腹板的外形轮廓模型；
5）腹板模具设计加工：分别在前缘腹板模具平台和后缘腹板模具平台上，采用步骤4）得到的外形轮廓模型进行腹板粘接边模具的定位加工，完成腹板设计和制作。
本发明所述步骤2）中迎风面以及背风面的制作方法具体为：分别在叶片迎风面模具及背风面模具上铺设玻璃纤维布、预制件、芯材、以及用于灌注成型的真空辅助材料，并建立真空系统；然后采用真空辅助灌注成型工艺完成叶片树脂灌注，固化成型；待产品叶片半片固化之后，将其表面的真空辅材去除，得到完整的叶片迎风面壳体半片及背风面壳体半片。
本发明所述步骤3）中的使用三维软件为Catia或Pro-E。
本发明的有益效果是：本发明利用三维激光跟踪仪对叶片实物进行三维扫描建模，最大程度的接近实际使用需求，有效的避免了采用理论模型截面和理论铺层厚度计算导致的腹板模具设计的偏差，消除了大型模具安装、形变问题对腹板设计精度的干扰，从而提高了腹板模具设计的精度，消除了因设计精度不足产生的间隙波动大、叶片粘接成本高及腹板模具后期需多次调整的问题。
附图说明
图1为本发明叶片拟合标定点标记示意图；
图2为本发明背风面壳体半片成型示意图；
图3为本发明迎风面壳体半片成型示意图；
图4为本发明叶片背风面内腔外形采集示意图；
图5为本发明半片内腔拟合图；
图6为本发明前缘腹板模具加工示意图；
图7为本发明后缘腹板模具加工示意图。
图中标记：1、模具钢架，2、背风面模具，3、迎风面模具，4、标定点，5、背风面壳体半片，6、迎风面壳体半片，7、激光接收球靶，8、三维激光跟踪设备，9、计算机，10、迎风面内腔曲面模型，11、背风面内腔曲面模型，12、前缘腹板模具平台，13、前缘腹板背风面方向模具定位点，14、前缘腹板迎风面方向模具定位点，15、后缘腹板模具平台，16、后缘腹板背风面方向模具定位点，17、后缘腹板迎风面方向模具定位点。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式（实施例）进行描述，使本领域的技术人员能够更好地理解本发明。
一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，包含叶片迎风面壳体半片6的制造，叶片背风面壳体半片5的制造，迎风面内腔曲面模型10、背风面内腔曲面模型11的采集及模型化，腹板模型的拟合计算及模具加工，用于采集所述叶片内腔外形的三维激光跟踪设备8具有三维跟踪扫描功能，用于完成所述逆向建模的计算机9包含相应的三维处理软件；具体包括以下步骤：
1）对生产叶片迎风面和背风面的模具进行标定：将模具在空模时调至合模状态，然后在模具法兰边非制品区域标出不少于4组标定点4，作为后期计算机拟合的基准点。
2）迎风面壳体半片6以及背风面壳体半片5的制作：分别在叶片迎风面模具3及背风面模具2上铺设玻璃纤维布、预制件、芯材、以及用于灌注成型的真空辅助材料，并建立真空系统；然后采用真空辅助灌注成型工艺完成叶片树脂灌注，固化成型；待产品叶片半片固化之后，将其表面的真空辅材去除，得到完整的叶片迎风面壳体半片6及背风面壳体半片5。
3）内腔外形采集及模型化：在步骤2）得到的迎风面壳体半片6以及背风面壳体半片5内部标示出腹板粘接区域，选择放置三维激光跟踪设备8的位置并在该位置放置三维激光跟踪设备8，保证三维激光跟踪设备8在该位置能够扫描到叶片内部腹板粘接区域所有的点，使用激光接收球靶7先记录模具上的标定点4位置，然后在叶片内部腹板粘接区域从根部至尖部方向呈S型路线进行扫掠，导引三维激光跟踪设备8上的激光发生器发射的激光束随激光接收球靶7移动，并由三维激光跟踪设备8在计算机9上自动记录扫掠的路线结果，得到叶片迎风面、背风面腹板粘接区域实际外形曲线，图4为叶片背风面内腔外形采集示意图，叶片迎风面内强外形采集方法与背风面相同，然后将该采集到的外形曲线导入三维软件，如Catia或Pro-E，拟合生成相应的迎风面内腔曲面模型10和背风面内腔曲面模型11，此时两个半片的内腔模型分别处于两个不同坐标系之下。
4）腹板模型拟合计算：使用迎风面和背风面的标定点4位置，对分别处于两个不同坐标系下的迎风面内腔曲面模型10和背风面内腔曲面模型11进行处理，利用多组标定点4进行拟合，将其转化成在同一坐标系下的整体模型；然后在整体模型上截取出腹板的位置，导出该位置的壳体内腔轮廓，经过修订、光顺，剔除测量数据采集误差点，然后设定合适的粘接间隙值，通过计算机9按照特定算法进行计算，得到腹板的外形轮廓模型。
5）腹板模具设计加工：分别在前缘腹板模具平台12和后缘腹板模具平台15上，采用步骤4）得到的外形轮廓模型分别与迎风面、背风面的粘接边位置：前缘腹板背风面方向模具定位点13、前缘腹板迎风面方向模具定位点14、后缘腹板背风面方向模具定位点16、后缘腹板迎风面方向模具定位点17进行标定定位，然后焊接或粘接模具挡边，完成腹板模具的设计和制作。
三维激光跟踪设备8为三维激光跟踪仪。
本发明通过规避理论计算与实际情况之间的不可控偏差，采用特殊的技术方法，利用叶片壳体成型后的实际外形，测试、拟合出相应的腹板模具三维外形，消除影响变量，达到提高腹板模具设计精度和腹板粘接间隙的一致性的目的，同时减少腹板模具制造的调节周期、降低开发成本和后期叶片制造的粘接成本。

Claims (3)

1.一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）对生产叶片迎风面和背风面的模具进行标定：将模具在空模时调至合模状态，然后在模具法兰边非制品区域标出不少于4组标定点（4），作为后期计算机拟合的基准点；
2）迎风面壳体半片（6）以及背风面壳体半片（5）的制作；
3）内腔外形采集及模型化：在步骤2）得到的迎风面壳体半片（6）以及背风面壳体半片（5）内部标示出腹板粘接区域，选择放置三维激光跟踪设备（8）的位置并在该位置放置三维激光跟踪设备（8），保证三维激光跟踪设备（8）在该位置能够扫描到叶片内部腹板粘接区域所有的点，使用激光接收球靶（7）先记录模具上的标定点（4）位置，然后在叶片内部腹板粘接区域从根部至尖部方向呈S型路线进行扫掠，导引三维激光跟踪设备（8）上的激光发生器发射的激光束随激光接收球靶（7）移动，并由三维激光跟踪设备（8）在计算机（9）上自动记录扫掠的路线结果，得到叶片迎风面、背风面腹板粘接区域实际外形曲线，并将该外形曲线导入三维软件拟合生成相应的迎风面内腔曲面模型（10）和背风面内腔曲面模型（11），此时两个半片的内腔模型分别处于两个不同坐标系之下；
4）腹板模型拟合计算：使用迎风面和背风面的标定点（4）位置，对分别处于两个不同坐标系下的迎风面内腔曲面模型（10）和背风面内腔曲面模型（11）进行处理，利用多组标定点（4）进行拟合，将其转化成在同一坐标系下的整体模型；然后在整体模型上截取出腹板的位置，导出该位置的壳体内腔轮廓，经过修订、光顺，剔除测量数据采集误差点，然后设定合适的粘接间隙值，通过计算机（9）进行计算，得到腹板的外形轮廓模型；
5）腹板模具设计加工：分别在前缘腹板模具平台（12）和后缘腹板模具平台（15）上，采用步骤4）得到的外形轮廓模型进行腹板粘接边模具的定位加工，完成腹板设计和制作。
2.根据权利要求1所述的一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中迎风面以及背风面的制作方法具体为：分别在叶片迎风面模具（3）及背风面模具（2）上铺设玻璃纤维布、预制件、芯材、以及用于灌注成型的真空辅助材料，并建立真空系统；然后采用真空辅助灌注成型工艺完成叶片树脂灌注，固化成型；待产品叶片半片固化之后，将其表面的真空辅材去除，得到完整的叶片迎风面壳体半片（6）及背风面壳体半片（5）。
3.根据权利要求1所述的一种风电叶片腹板模具逆向建模的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中的使用三维软件为Catia或Pro-E。
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