CN117313268A - 风电叶片壳体夹芯的设计方法 - Google Patents
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Abstract
风电叶片壳体夹芯的设计方法，包括以下步骤：S1:根据风电叶片的设计要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数；S2:根据预设的夹芯参数，在三维软件中对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设；S3:在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析并对不可进行平板加工生产的夹芯区域进行修正；S4：在三维软件中将夹芯展开成既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。本发明提高夹芯的尺寸设计精度，保证夹芯与叶片壳体型腔的匹配性，为夹芯的制造、铺设提供完整、全面且精准的设计数据，可有效提高夹芯铺设的效率，提高铺设质量，降低铺设劳动强度；可效降低夹芯制造成本和材料限制，缩短加工时间，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电叶片壳体夹芯的设计方法，属于风电叶片壳体设计技术领域。
背景技术
风电叶片是风力发电系统的核心部件，其构思研发、成型质量和总体性能是发电机组稳定运行并源源不断提供电力的保证。风电叶片的主体结构是环氧树脂增强玻璃纤维、结合夹芯材料增加刚度，通常采用真空灌注成型；夹芯在风电叶片上的为多位置布置，夹芯对应位置的截面为三明治结构，即夹芯上下分别为玻璃钢。作为叶片主体材料之一，夹芯轮廓的高准确性，既能减少夹芯铺设时间、降低人工时成本，又对减少叶片缺陷、提高成型质量有着重要影响。壳体夹芯主要由两种设计方式：
一、二维设计方式：
在叶片长度方向按一定间隔做截面，在所得截面选定叶片轴线，获得叶片轴线距叶片前后缘分型线的弧线长度A；然后按照设计输入获得夹芯轮廓边距前后缘分型线的尺寸B；用尺寸A减尺寸B，得到叶片轴线距夹芯轮廓边的尺寸C，即夹芯弦向轮廓尺寸；将长度方向米标位置与弦向轮廓尺寸一一对应形成二维坐标，使用二维软件（如CAD）绘制叶片夹芯轮廓。
二维方式缺点：（1）叶片壳体型面为不规则双曲率曲面，在几何上无法展开成平面；此方式未考虑这方面影响，型面曲率越大，夹芯轮廓误差越大；（2）未考虑夹芯材料的变形影响，夹芯材料会根据壳体型面进行相应范围变形。二维方式设计的夹芯尺寸精度较差，现场铺设时修补量大，需经过多次现场测量、修改，才能满足要求。
二、3D打印设计方式：
从设计开发部门获取叶片中心轴线、夹芯轮廓边距前后缘边线等尺寸数据；使用三维软件，直接设计三维夹芯，并生成3D打印模型，最后通过3D打印机打印夹芯。
3D打印设计夹芯的缺点：（1）当前叶片生产加工厂家只能进行平板加工，无法加工复杂三维曲面的夹芯，三维夹芯模型应用范围窄，只能使用3D打印机打印；（2）使用3D打印机打印夹芯，加工时间长，成本高昂，目前并未批量投入使用；（3）BALSA木为自然生长的材料，无法进行3D打印。
两种设计方式都存在明显不足之外，本方案的目的在于提高一种夹芯设计新方法，以克服现在设计方法的不足。
发明内容
本发明提供的风电叶片壳体夹芯的设计方法，提高夹芯的尺寸设计精度，保证夹芯与叶片壳体型腔的匹配性，克服夹芯轮廓二维设计误差大的缺陷，为夹芯的制造、铺设提供完整、全面且精准的设计数据，可有效提高夹芯铺设的效率，提高铺设质量，避免铺设时的人工修正调整，降低铺设劳动强度；根据夹芯二维轮廓通过平板加工制造出夹芯，可效降低夹芯制造成本和材料限制，缩短加工时间，降低生产成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:根据风电叶片的设计要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数；
S2:根据预设的夹芯参数，在三维软件中对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设；
S3:在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析并对不可进行平板加工生产的夹芯区域进行修正；
S4:在三维软件中将夹芯展开成既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。
优选的，根据叶片壳体模具的三维模型、叶片结构图及风电叶片中玻纤布铺设要求、夹芯铺设要求、合模间隙要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数。
优选的，“预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数”是指确定各铺设位置夹芯的材料、厚度并定义夹芯材料的取向、杨氏模量、剪切模量、泊松比、密度、强度、材料变形角。
优选的，步骤S2具体是指模拟叶片壳体中夹芯实际铺设过程，按照叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数在三维壳体模型中仿真铺设夹芯，铺设完成后在三维壳体模型上显示出夹芯。
优选的，在三维壳体模型中仿真铺设夹芯过程中应先确定各铺设位置的尺寸，再根据各铺设位置的尺寸对夹芯进行定位。
优选的，“在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析”是指在三维软件中计算各铺设位置的夹芯的取向、模量、强量和变形角，以判断各铺设位置的夹芯是否可展开成二维轮廓。
优选的，在三维软件中用不同颜色区分显示可直接展开成二维轮廓的夹芯区域、可通过拉伸展开成二维轮廓的夹芯区域和不可展开成二维轮廓的夹芯区域。
优选的，将不可展开成二维轮廓的夹芯区域划分为多个可展开成二维轮廓的分区域或者在不可展开成二维轮廓的夹芯区域开设V槽，以形成对不可展开成二维轮廓的夹芯区域的修正，使其可展开成二维轮廓。
优选的，步骤S4具体是指：在三维软件中将可直接展开成二维轮廓的夹芯区域展开成二维轮廓，可通过拉伸展开成二维轮廓的夹芯区域通过拉伸展开成二维轮廓，将不可展开成二维轮廓的夹芯区域修正后得到的区域展开成二维轮廓，根据各区域的相应位置将多个二维轮廓拼合，得到既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。
发明的有益效果是：
本发明的风电叶片壳体夹芯的设计方法，先预设叶片壳体各铺设位置的夹芯参数，再根据夹芯参数对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设，铺设完后对夹芯进行平板加工生产可行性分析并修正使三维仿真的夹芯均可展开成二维轮廓，最后将夹芯展开成既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓，根据夹芯二维轮廓就可制造出相应的夹芯，提高夹芯的尺寸设计精度，保证夹芯与叶片壳体型腔的匹配性，克服夹芯轮廓二维设计误差大的缺陷，为夹芯的制造、铺设提供完整、全面且精准的设计数据，可有效提高夹芯铺设的效率，提高铺设质量，避免铺设时的人工修正调整，降低铺设劳动强度；根据夹芯二维轮廓通过平板加工制造出夹芯，可效降低夹芯制造成本和材料限制，缩短加工时间，降低生产成本。
具体实施方式
下面对本发明的实施例做详细说明。
风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:根据风电叶片的设计要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数；
S2:根据预设的夹芯参数，在三维软件中对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设；
S3:在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析并对不可进行平板加工生产的夹芯区域进行修正；
S4:在三维软件中将夹芯展开成既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。
以上所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，先预设叶片壳体各铺设位置的夹芯参数，再根据夹芯参数对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设，铺设完后对夹芯进行平板加工生产可行性分析并修正使三维仿真的夹芯均可展开成二维轮廓，最后将夹芯展开成既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓，根据夹芯二维轮廓就可制造出相应的夹芯，提高夹芯的尺寸设计精度，保证夹芯与叶片壳体型腔的匹配性，克服夹芯轮廓二维设计误差大的缺陷，为夹芯的制造、铺设提供完整、全面且精准的设计数据，可有效提高夹芯铺设的效率，提高铺设质量，避免铺设时的人工修正调整，降低铺设劳动强度；根据夹芯二维轮廓通过平板加工制造出夹芯，可效降低夹芯制造成本和材料限制，缩短加工时间，降低生产成本。
其中，根据叶片壳体模具的三维模型、叶片结构图及风电叶片中玻纤布铺设要求、夹芯铺设要求、合模间隙要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数。通过叶片壳体模具的三维模型、叶片结构图可确定夹芯的各铺设位置，通过玻纤布铺设要求、夹芯铺设要求和合模间隙要求的参数范围可计算出各铺设位置的夹芯参数，确定夹芯参数、铺设位置后即可在三维软件中对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设。
其中，“预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数”是指确定各铺设位置夹芯的材料、厚度并定义夹芯材料的取向、杨氏模量、剪切模量、泊松比、密度、强度、材料变形角。夹芯的材质有BALSA木、PVC泡沫、PET泡沫，分别定位各铺设位置的夹芯材质和厚度，以及相应夹芯材料的取向、杨氏模量、剪切模量、泊松比、密度、强度、材料变形角。确定夹芯材料的性能参数，厚度、铺设位置即可按实际铺设过程在三维软件中对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设，并在铺设后进行仿真计算，计算各铺设位置铺设形成的夹芯是否能即进行平板加工生产。
其中，步骤S2具体是指模拟叶片壳体中夹芯实际铺设过程，按照叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数在三维壳体模型中仿真铺设夹芯，铺设完成后在三维壳体模型上显示出夹芯。按实际铺设过程进行仿真铺设，保证仿真可靠性，保证铺设后对各铺设位置的夹芯进行仿真计算的精准性。
其中，在三维壳体模型中仿真铺设夹芯过程中应先确定各铺设位置的尺寸，再根据各铺设位置的尺寸对夹芯进行定位。将各铺设位置的尺寸在三维壳体模型中标出，铺设过程中严格按照各铺设位置的尺寸对夹芯进行铺设定位，防止仿真铺设超出各铺设位置，提高仿真铺设的可靠性和准确性。
其中，“在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析”是指在三维软件中计算各铺设位置的夹芯的取向、模量、强量和变形角，以判断各铺设位置的夹芯是否可展开成二维轮廓。可展开成二维轮廓的区域可在三维软件中直接展开成二维轮廓，不可展开成二维轮廓的区域需再进行修正，以使其可展开成二维轮廓。
其中，在三维软件中用不同颜色区分显示可直接展开成二维轮廓的夹芯区域、可通过拉伸展开成二维轮廓的夹芯区域和不可展开成二维轮廓的夹芯区域。用不同颜色对可直接展开、可拉伸展开和不可展开的夹芯区域进行标识，可直接展开和可拉伸展开的夹芯区域可通过三维软件展开操作将夹芯展开成二维轮廓，不可展开的夹芯区域可在修正为可展开后，再展开成二维轮廓。
其中，将不可展开成二维轮廓的夹芯区域划分为多个可展开成二维轮廓的分区域或者在不可展开成二维轮廓的夹芯区域开设V槽，以形成对不可展开成二维轮廓的夹芯区域的修正，使其可展开成二维轮廓。将不可展开成二维轮廓的夹芯区域划分成多个可展开成二维轮廓的分区域或在其上开设V槽，对不可展开成二维轮廓的夹芯区域进行修正，使其修正后可展开成二维轮廓。
其中，步骤S4具体是指：在三维软件中将可直接展开成二维轮廓的夹芯区域展开成二维轮廓，可通过拉伸展开成二维轮廓的夹芯区域通过拉伸展开成二维轮廓，将不可展开成二维轮廓的夹芯区域修正后得到的区域展开成二维轮廓，根据各区域的相应位置将多个二维轮廓拼合，得到既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。制作时可根据夹芯二维轮廓的尺寸对夹芯进行夹板加工制作，制作出的夹芯与叶片壳体型腔匹配，保证夹芯铺设的可靠性和精准性，提高铺设质量，避免铺设时的人工修正调整，降低铺设劳动强度；根据夹芯二维轮廓通过平板加工制造出夹芯，可效降低夹芯制造成本和材料限制，缩短加工时间，降低生产成本。
以上对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1: 根据风电叶片的设计要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数；
S2:根据预设的夹芯参数，在三维软件中对三维壳体模型进行夹芯仿真铺设；
S3:在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析并对不可进行平板加工生产的夹芯区域进行修正；
S4：在三维软件中将夹芯展开成既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。
2.根据权利要求1所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：根据叶片壳体模具的三维模型、叶片结构图及风电叶片中玻纤布铺设要求、夹芯铺设要求、合模间隙要求预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数。
3.根据权利要求2所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：“预设叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数”是指确定各铺设位置夹芯的材料、厚度并定义夹芯材料的取向、杨氏模量、剪切模量、泊松比、密度、强度、材料变形角。
4.根据权利要求1所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：步骤S2具体是指模拟叶片壳体中夹芯实际铺设过程，按照叶片壳体中各铺设位置的夹芯参数在三维壳体模型中仿真铺设夹芯，铺设完成后在三维壳体模型上显示出夹芯。
5.根据权利要求4所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：在三维壳体模型中仿真铺设夹芯过程中应先确定各铺设位置的尺寸，再根据各铺设位置的尺寸对夹芯进行定位。
6.根据权利要求4所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：“在三维软件中对夹芯进行平板加工生产可行性分析”是指在三维软件中计算各铺设位置的夹芯的取向、模量、强量和变形角，以判断各铺设位置的夹芯是否可展开成二维轮廓。
7.根据权利要求6所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：在三维软件中用不同颜色区分显示可直接展开成二维轮廓的夹芯区域、可通过拉伸展开成二维轮廓的夹芯区域和不可展开成二维轮廓的夹芯区域。
8.根据权利要求7所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：将不可展开成二维轮廓的夹芯区域划分为多个可展开成二维轮廓的分区域或者在不可展开成二维轮廓的夹芯区域开设V槽，以形成对不可展开成二维轮廓的夹芯区域的修正，使其可展开成二维轮廓。
9.根据权利要求8所述的风电叶片壳体夹芯的设计方法，其特征在于：步骤S4具体是指：在三维软件中将可直接展开成二维轮廓的夹芯区域展开成二维轮廓，可通过拉伸展开成二维轮廓的夹芯区域通过拉伸展开成二维轮廓，将不可展开成二维轮廓的夹芯区域修正后得到的区域展开成二维轮廓，根据各区域的相应位置将多个二维轮廓拼合，得到既可用于进行平板加工生产、又能匹配三维壳体模具型腔的夹芯二维轮廓。
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