吳　鏑,劉　賽,楊國(guó)策,高　琪(上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心,上海201209)

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風(fēng)電葉片的3D打印系統(tǒng)性高效制造方法

吳鏑,劉賽,楊國(guó)策,高琪
(上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心,上海201209)

摘要: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(jì)完成了葉片三維掃描,獲取點(diǎn)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(shí)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(dòng)化方面具有重要意義。

關(guān)鍵詞:逆向設(shè)計(jì);3D打印;風(fēng)電葉片;有限元分析

0　引言

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(shì)所趨。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,已成為世界各國(guó)的新能源發(fā)展的重要方向[1]。

葉片作為風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件,其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能保證了機(jī)組的正常運(yùn)行,也決定了風(fēng)機(jī)的發(fā)電性能和功率。葉片的設(shè)計(jì)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(dòng)力的復(fù)雜性,葉片外形的精確設(shè)計(jì)非常困難。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)多采用正向設(shè)計(jì),即先設(shè)計(jì)并完善葉片的幾何外形結(jié)構(gòu)直到滿足相應(yīng)的氣動(dòng)性能要求。但是正向設(shè)計(jì)要面臨很多問題,比如確定所需的氣動(dòng)特性沿葉展的分布,所需的轉(zhuǎn)子特性不能確定等[2]。采用逆向設(shè)計(jì)則能克服正向設(shè)計(jì)的不足,通過三維建模與原始的葉片實(shí)體模型進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)葉片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證,還可以縮短設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性高效制造方法。

1　制造方法與設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)體。

1.2逆向測(cè)量

本文使用的風(fēng)力電機(jī)葉片原型為美國(guó)SWWP公司的Air Breeze葉片[3],具體參數(shù)見表1。

使用的儀器為德國(guó)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(duì)葉片進(jìn)行了貼標(biāo)記點(diǎn)的處理,如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)性高效制造流程圖Fig.1 Flow chart of the systemic and efficient manufacturing

表1　葉片原型參數(shù)Tab.1 Parameters of the blade prototype

圖2　Air Breeze葉片的原型Fig.2 Prototype of the blade

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(shí)驗(yàn)方案來減少時(shí)間和成本,所以,將有限元法與逆向設(shè)計(jì)結(jié)合,通過對(duì)葉片的應(yīng)力、變形、疲勞等參數(shù)的分析,能即時(shí)對(duì)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(shí),其理論基礎(chǔ)是變分原理,常見的是最小勢(shì)能原理與最小余能原理[1,4]。對(duì)于最小勢(shì)能原理,須假設(shè)單元內(nèi)位移場(chǎng)函數(shù)的形式存在

式中:E為勢(shì)能;U為彈性應(yīng)變能;W為外力勢(shì)能。

當(dāng)對(duì)象被離散成很多單元和節(jié)點(diǎn)之后,各節(jié)點(diǎn)位移構(gòu)成位移列陣δ,泛函E可寫成各單元泛函之和,E =ΣEi。Ei取決于δi,不同的節(jié)點(diǎn)位移列陣使E值不同,則有

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[5-6]。

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(xiàng)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

式中,Pa代表所施加載荷。對(duì)于特定Pa,稱為臨界屈曲載荷Pcr,

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(shí),結(jié)構(gòu)失穩(wěn),此時(shí)對(duì)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(shí)體制造?？紤]到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及葉片結(jié)構(gòu)特性,采用熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling,FDM)工藝進(jìn)行制作。

FDM工藝選用設(shè)備為國(guó)內(nèi)Tiertime公司的Inspire D290 3D打印機(jī),由于工作臺(tái)X-Y平面成形尺寸為255 mm×290 mm,葉片總長(zhǎng)為550 mm,所以將尺寸縮小為原始的1/2?？紤]葉片外形與支撐去除影響因素,擺放時(shí)將葉片沿邊緣豎立擺放,分層厚度設(shè)置為0.1 mm,材料為ABS B501絲材,其主要力學(xué)性能參數(shù)為:彈性模量2×103MPa,抗剪模量318.9 MPa,質(zhì)量密度1.02×103kg/m3,張力強(qiáng)度30 MPa。

2　結(jié)果評(píng)價(jià)

2.1三維模型獲得

葉片逆向掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3　葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 Point cloud data of the blade

由于測(cè)量時(shí)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(huì)不可靠,故要對(duì)點(diǎn)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(diǎn);

(2)葉面曲線上不允許出現(xiàn)多余的拐點(diǎn),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[7]。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù):①?gòu)浹a(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(cè)量誤差帶來的影響,提高模型重建的質(zhì)量?？紤]到葉片根部螺紋孔的特征,在掃描時(shí)難以獲取,因此,對(duì)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(huì)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(shí),葉片會(huì)發(fā)生局部屈曲,主要位置位于葉片最大弦長(zhǎng)截面區(qū)域后緣處及靠近葉尖位置的后緣處。

圖4　葉片的靜力分析結(jié)果圖Fig.4 Finite element analysis result of the blade

圖5　葉片的屈曲模態(tài)圖Fig.5 Buckling modal figure of the blade

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(cè)量,獲得樣件的平均尺寸精度約為0.16 mm/100 mm,葉片原型的原定尺寸精度為±0.18 mm/100 mm,因此,樣件精度在誤差范圍內(nèi),符合制作要求。

圖6　FDM制造的葉片F(xiàn)ig.6 Blade madeby FDM

對(duì)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(duì)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。

3　結(jié)論

本文將逆向工程、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(shí)驗(yàn)證明,這一系統(tǒng)的方法切實(shí)可行,對(duì)葉片的即時(shí)優(yōu)化和快速生產(chǎn)有很好的參考價(jià)值。

同時(shí),本文研究還存在一些問題需要進(jìn)一步深入研究。

(1)本文主要就該系統(tǒng)性制造方法進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn),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(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的制造,這也是今后的研究重點(diǎn)。

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High Systemic and Efficient Approach for 3D Printing Wind Turbine Blade

WU Di,LIU Sai,YANG Guoce,GAO Qi
(Engineering Training Center,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China)

Abstract:The systematic and efficient manufacturing approach for 3D printing wind turbine blade is proposed.First of all,with the help of the reverse design,3D scanning of the blade is conducted,and the point cloud data and 3D model are obtained.By static and buckling analysis based on the finite element method,the detailed structure size can be fine-tuning.Finally,the entity samples are made by 3D printing technology.The results show the feasibility of the proposed approach,and prospect in efficient and integrated manufacturing and automation for building complex surfaces such as wind turbine blade.

Keywords:reverse design;3D printing;wind turbine blade;finite element analysis

基金項(xiàng)目:上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃(No.A30DB1424011-56)、上海第二工業(yè)大學(xué)?；痦?xiàng)目(No.A01GY14GX15)資助

通信作者:吳鏑(1971–),男,河南焦作人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù)與現(xiàn)代集成制造技術(shù)。電子郵箱wudi@sspu.edu.cn。

收稿日期:2015-07-01

文章編號(hào):1001-4543(2016)01-0037-04

中圖分類號(hào):TP202

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A