李 東，王藝璇，范海光，梁文瑞，楊朋飛，毛水蓮

（1.國(guó)材（北京）檢測(cè)認(rèn)證服務(wù)有限公司，北京 100037；2.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司，北京 100013；3.中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司，北京 100192；4.華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100872）

0 引言

隨著陸地低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)和海上風(fēng)場(chǎng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，風(fēng)電葉片的外形尺寸變得越來(lái)越大，葉片翼型也越來(lái)越復(fù)雜。在制品開(kāi)始灌注直至灌注結(jié)束的過(guò)程中，樹(shù)脂在風(fēng)輪葉片殼體內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間及流動(dòng)液面趨勢(shì)的預(yù)測(cè)顯得尤為重要，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)和預(yù)判樹(shù)脂的流動(dòng)時(shí)間及流動(dòng)液面趨勢(shì)對(duì)于樹(shù)脂在凝膠前充滿(mǎn)整個(gè)殼體，并減少發(fā)生應(yīng)包圍產(chǎn)生的纖維干斑或干紗起著關(guān)鍵性的作用。

在風(fēng)輪葉片殼體纖維織物鋪設(shè)過(guò)程中，纖維織物由葉片根部向葉片尖部移動(dòng)的過(guò)程中，由于外力的影響通常會(huì)發(fā)生形變，引起織物局部厚度的變化，隨之滲透率也發(fā)生了變化，從而改變了樹(shù)脂在纖維織物中預(yù)期的流動(dòng)浸潤(rùn)方式，相同區(qū)域局部不同的浸潤(rùn)速度形成了干斑等缺陷。近些年來(lái)，成天健等[1]研究了織物受外力變形對(duì)局部滲透率產(chǎn)生的影響，得到了一些規(guī)律，但有關(guān)局部滲透率變化對(duì)VARI 工藝樹(shù)脂在纖維織物的流動(dòng)過(guò)程影響的研究還很少，尤其是利用模擬手段分析風(fēng)輪葉片纖維織物局部滲透率變化對(duì)灌注過(guò)程的影響，目前尚未查閱到相關(guān)資料[2]。

注膠口、抽氣口、樹(shù)脂收集口的位置、流道整體布置、模具預(yù)熱溫度、樹(shù)脂溫度、樹(shù)脂黏度、纖維織物在灌注前的溫度、制品真空壓力、制造商所處地理位置大氣壓等諸多工藝參數(shù)都會(huì)影響到風(fēng)輪葉片最終的成型質(zhì)量，而其中殼體的流道整體設(shè)計(jì)是風(fēng)輪葉片VARI 工藝中關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)之一，流道整體設(shè)計(jì)合理不僅可以避免局部浸潤(rùn)不良等質(zhì)量缺陷的形成，而且還可以有效縮短殼體灌注時(shí)間，減少因灌注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。通過(guò)工藝性實(shí)驗(yàn)來(lái)確定流道整體設(shè)計(jì)是否合理，增加了原材料成本和人工成本，因此本文通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)VARI 灌注流道的設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)風(fēng)輪葉片翼型曲面構(gòu)件樹(shù)脂流動(dòng)規(guī)律的研究，得出風(fēng)輪葉片VARI 流道設(shè)計(jì)的一些規(guī)律。利用PAM-RTM[4]、CATIA和Patran2013等仿真軟件來(lái)模擬VARI工藝制備風(fēng)輪葉片樹(shù)脂的流動(dòng)過(guò)程，找出不同流道設(shè)計(jì)的異同點(diǎn)，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型

1.1 定義

樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）工藝由于受到原材料種類(lèi)及其性能等方面的影響，很難滿(mǎn)足大尺寸部件及厚壁結(jié)構(gòu)制品的生產(chǎn)要求和使用要求。近些年來(lái)，國(guó)外學(xué)者和專(zhuān)家聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)了真空輔助RTM 工藝（Vacuum-Assisted Resin Infusion Molding），簡(jiǎn)稱(chēng)VARI[5]。與早期的RTM 工藝[6]相對(duì)比，制作制品模具及制品纖維材料中的樹(shù)脂含量得到了有效降低，相反則帶來(lái)了制品纖維含量顯著增長(zhǎng)，最大可達(dá)75%～80%。在樹(shù)脂含量得到有效降低的同時(shí)，也降低了制作制品模具和制品的成本，給制造商減輕了原材料成本負(fù)擔(dān)。同時(shí)在使用這一工藝的過(guò)程中，由于制品有真空膜覆蓋，在樹(shù)脂流動(dòng)及固化過(guò)程中減少了有機(jī)物的揮發(fā)，滿(mǎn)足了政府、社區(qū)及居民等相關(guān)方對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)要求，同時(shí)在真空輔助的幫助下，制品成型外形良好，厚度均勻。采用VARI 工藝制造的單支風(fēng)輪葉片制品，最大表面積（m2）從早期的十位數(shù)發(fā)展到百位數(shù)，厚度也得到了顯著了增長(zhǎng)。基于上述的優(yōu)點(diǎn)，這一技術(shù)得到了快速推廣，國(guó)內(nèi)的風(fēng)輪葉片制造商也陸續(xù)采用了該項(xiàng)技術(shù)。

真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型作為一種典型的低人工成本和低材料成本的成型工藝技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料制品的成型過(guò)程中，VARI成型工藝與一些其他傳統(tǒng)工藝相比，具有一次性成型的優(yōu)點(diǎn)：既可以成型大型的復(fù)合材料部件，也可以成型小型復(fù)合材料部件，尤其在成型結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜的部件顯現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)；VARI 成型工藝生產(chǎn)的部件樹(shù)脂含量均勻，更有利于控制部件的整體性能，同時(shí)減少了成型工藝周期；設(shè)備和工藝成本相對(duì)不高，也可以滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)的需求。

1.2 設(shè)計(jì)原則

VARI工藝最常用的灌注方式有點(diǎn)灌注、線灌注、外圍灌注及混合灌注等，在設(shè)計(jì)灌注口[7]、抽氣口和樹(shù)脂收集位置時(shí)通常需要考慮到以下情況，這也是設(shè)計(jì)整體流道時(shí)需要遵守的原則。

（1）不同的灌注方式對(duì)應(yīng)樹(shù)脂在制品中不同的流動(dòng)模式，如點(diǎn)灌注，樹(shù)脂的液面由灌注點(diǎn)中心逐漸向周邊擴(kuò)散；線灌注，樹(shù)脂從制品的一端向另一端流動(dòng)；混合灌注過(guò)程中樹(shù)脂的流動(dòng)模式較為復(fù)雜，需同時(shí)考慮到點(diǎn)、線灌注過(guò)程的相互作用，從而找出一些規(guī)律。

（2）進(jìn)出口的數(shù)量及位置的不同，樹(shù)脂流動(dòng)方式及充滿(mǎn)整體制品的時(shí)間也存在著不同。—般情況下，注膠口越多，充滿(mǎn)整體制品所需的時(shí)間就越短，所以相對(duì)于點(diǎn)灌注，線灌注擁有更多的灌注點(diǎn)，灌注效率也隨著提高。

（3）抽氣口的設(shè)計(jì)需要保證樹(shù)脂可以浸潤(rùn)整個(gè)殼體，完全滲透殼體的纖維織物。抽氣口應(yīng)放置在距離注膠口最遠(yuǎn)的區(qū)域，根據(jù)殼體不同區(qū)域形狀的不同可以設(shè)計(jì)多個(gè)注膠口和抽氣口，在可能出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的位置設(shè)置抽氣口，以降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

（4）流道整體布置。樹(shù)脂流道分為主流道和輔助流道。主流道由注膠口和樹(shù)脂流動(dòng)管路組成，其作用是將樹(shù)脂引流至輔助流道。輔助流道主要由導(dǎo)流網(wǎng)等導(dǎo)流介質(zhì)組成，其作用是將主流道流動(dòng)的樹(shù)脂引流至纖維增強(qiáng)材料表面，直至完成浸潤(rùn)。

2 風(fēng)輪葉片VARI工藝仿真模擬方案與參數(shù)設(shè)定

要完成風(fēng)輪葉片VARI 工藝仿真，首先需要對(duì)原材料纖維織物和樹(shù)脂的工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其中采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量樹(shù)脂黏度[8]，滲透率作為纖維織物固有的參數(shù)，可根據(jù)Darcy 定律通過(guò)專(zhuān)用的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，也可根據(jù)工藝性實(shí)驗(yàn)估算纖維織物的滲透率值。

本文要模擬的對(duì)象是風(fēng)輪葉片中帶有翼型的曲面結(jié)構(gòu)部件，部件的規(guī)格如圖1 所示，模擬過(guò)程中需要輸入的材料參數(shù)及工藝條件如表1所示。

表1 模擬輸入的材料參數(shù)及工藝條件

圖1 翼型構(gòu)件形狀及尺寸

仿真模擬采用的方案主要有兩種，如圖2 所示，圖中的圓孔為注膠口，紅線為灌注管路。

圖2 殼體灌注仿真方案

3 風(fēng)輪葉片VARI工藝仿真模擬步驟

對(duì)樹(shù)脂充滿(mǎn)整個(gè)殼體過(guò)程的模擬，主要步驟如下：

（1）采用CATIA 軟件，按照?qǐng)D1 中構(gòu)件的規(guī)格進(jìn)行建模，得到構(gòu)件的CAD 模型，輸出得到后續(xù)模擬中所支持的part或model文件。

（2）將得到的文件導(dǎo)入PATRAN 軟件中，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分得到構(gòu)件的有限元網(wǎng)格模型。在進(jìn)行有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，需要根據(jù)構(gòu)件形狀的復(fù)雜程度進(jìn)行網(wǎng)格疏密的劃分，如圖3所示。

圖3 PAM-RTM分析的網(wǎng)格文件

（3）將有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入到PAM-RTM 軟件中，并對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括樹(shù)脂黏度、纖維織物的面密度、滲透率、孔隙率、注膠口和抽氣口對(duì)應(yīng)的壓力等[8]。輸出充滿(mǎn)這個(gè)殼體的時(shí)間分布和壓力分布。

4 風(fēng)輪葉片VARI工藝仿真模擬結(jié)果分析

模擬所得不同灌注方案下，充滿(mǎn)整體制品過(guò)程最先填充的地方即注膠口位置顏色最深，最后完成灌注的區(qū)域顏色也較深，從而可以考察充滿(mǎn)整個(gè)殼體過(guò)程中樹(shù)脂液面不斷變化的位置，為注膠口和抽氣口位置的確定提供依據(jù)。

方案1 中采用的是線灌注，樹(shù)脂以線狀平移前進(jìn)，開(kāi)始階段由于殼體與外界壓力差較大，樹(shù)脂流速較快，隨著時(shí)間的推移，殼體與外界的壓力差趨于平衡，樹(shù)脂流速越來(lái)越慢，直至灌注完成[9]。方案2中采用的是點(diǎn)灌注，由于注膠口到四周距離即樹(shù)脂流程明顯縮短，故所需的充滿(mǎn)整個(gè)殼體的時(shí)間也明顯縮短，但是由于抽氣點(diǎn)放置的位置互相干涉，產(chǎn)生了包圍區(qū)域[10]。

從仿真結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，從注膠口到抽氣口壓力呈梯次逐漸降低，離注膠口越遠(yuǎn)壓力越小，否則反之。因此，抽氣口應(yīng)該置于離注膠口最遠(yuǎn)的位置。

在風(fēng)輪葉片VARI 工藝中，通過(guò)仿真結(jié)果可以分析樹(shù)脂的流動(dòng)情況及殼體不同區(qū)域壓力分布的情況，不難找出樹(shù)脂液面最終的匯集點(diǎn)及可能發(fā)生融合干涉的區(qū)域，這為確定抽氣口位置的確定提供了科學(xué)的手段[11]。

如圖4 所示，本次仿真中，方案1、方案2 樹(shù)脂最后到達(dá)的位置為離注膠口較遠(yuǎn)的深色部位，故在實(shí)際充滿(mǎn)整體制品時(shí)抽氣口的設(shè)計(jì)應(yīng)該在此部位。這樣才能保證樹(shù)脂能夠到達(dá)模腔的各個(gè)角落，而不至于在未浸潤(rùn)的情況下樹(shù)脂提前進(jìn)入抽氣口，導(dǎo)致抽氣功能失效，產(chǎn)生干斑、氣泡夾雜等質(zhì)量缺陷[12]。

圖4 仿真結(jié)果分析

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真軟件模擬風(fēng)輪葉片殼體灌注過(guò)程，可以找出合理的灌注方式，直至得到完全消除缺陷的制品，并由此得出滿(mǎn)足風(fēng)輪葉片VARI 工藝灌注流道設(shè)計(jì)的重要原則，為制品的研發(fā)階段和批量生產(chǎn)階段提供了技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)，并大大降低了頻繁地進(jìn)行工藝性實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的巨大的成本。具體特點(diǎn)如下。

（1）較厚鋪層及翼型曲面結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果和先前的工藝性實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明模擬仿真能較好地預(yù)測(cè)VARI工藝樹(shù)脂充滿(mǎn)整個(gè)殼體的過(guò)程，可為殼體生產(chǎn)提供指導(dǎo)，具有低成本和高效率等特點(diǎn)。

（2）抽氣口位置的設(shè)定直接決定了樹(shù)脂在玻纖中的流動(dòng)方向；合理地布置抽氣口還可以有效避免樹(shù)脂在流動(dòng)中的相互干涉，降低干斑、干紗等質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的概率。

（3）PAM-RTM 科學(xué)地預(yù)測(cè)了模腔中壓力的分布、充滿(mǎn)整個(gè)殼體的時(shí)間、抽氣口位置的設(shè)計(jì)以及相關(guān)灌注流道的布置。

（4）極大地降低了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，避免了樣件制作時(shí)投入的人力、物力，有效地降低了生產(chǎn)成本。