中材科技風電葉片股份有限公司結構工程師李占營

李占營：尊敬的與會來賓，我是來自中材科技風電葉片股份有限公司的李占營，很高興有機會在這里和大家淺談風電葉片、大型葉片結構的輕量化與可靠性設計的專題。報告分三個部分：第一部分，大型葉片結構設計挑戰與挑戰。第二部分，圍繞解決挑戰結構設計方面的措施及一些思考。第三部分，未來大型風電葉片結構設計的想法?！笆奈濉币詠砣蝻L電行業向好，雙碳目標為未來的發展制定了方向。但是，隨著風電的平價上網，風電價格持續走低、風輪直徑持續增加，運行環境的復雜也為結構設計提出了挑戰，如何平衡成本、效率、結構和工藝之間的矛盾，如何在保證葉片可靠性的前提下去實現葉片的輕量化是擺在結構設計人員前面的重要課題。

風電葉片是由主梁、腹板、蒙皮等通過粘接連接形成大型結構，如何實現它的輕量化，從結構角度來看，應該從氣動、材料、工藝和結構協同上下游共同創新，一起來實現葉片結構的輕量化和可靠性。結構設計的探索主要圍繞上下游如何一起創新開展的。

結構設計方面如何協同上下游一起解決輕量化和可靠性問題。

首先，氣動方面，隨著風電葉片尺寸增大，環境復雜化，柔性氣彈問題逐漸成為氣動結構一起設計的難題，成為葉片的瓶頸。如何協調在葉片和主機迭代過程中的重量、載荷和發電量多個目標的優化問題，這是我們探索方向。為此，我們展開了一系列基于氣動結構一體化的設計技術，在機組設計過程中進行氣動和結構的深度迭代來滿足多學科、多目標的優化的問題。

第二，新材料方面。通過引進高膜玻纖和PET材料協同創新，實現新材料的應用，以686為例，從早期葉片19.4噸，到最新版本12.9噸，實現33%的重量的降低。新材料方面，比如碳?；?、碳纖維主梁及拉擠玻纖主梁的應用為葉片的重量減輕提供了新的途徑。未來，國產碳纖維的應用為葉片進一步輕量化提供了選擇。

第三，制造方面，通過自動化和智能化裝備的使用，比如將傳統的吊帶脫模改進成吸盤起模工裝，將人工打磨轉為自動打磨機器人，降低葉片在流轉過程中的損失。另外，基于制造影響評估及精確定位設備的應用，降低了由于制造容差影響的ΩM3的系數，包括激光投影設備、電動鋪布車，這些應用使制造過程更加可控，從而降低了葉片在制造過程中的預度。

第四，精細化結構設計。這里包含兩個方面，一是更準確的分析方法降低Ωm4的系數，更精確的載荷降低Ωm5的系數。通過這兩個方面的努力，我們通常能夠針對不同的失效模式達到一定程度的減重，比如纖維疲勞降到30%左右，全局穩定性能降低25%左右。

（PPT圖示）更準確的分析方法，通過將傳統以極限強度M值為基礎簡化的疲勞算法，改成多SN算法，減少由于疲勞預度引起的不必要的增重。另外，通過非線性穩定性分析技術在葉片設計過程中的應用取代部分傳統的線性穩定性分析。一方面提高了失效模式預測的精度，另一方面可以實現一定程度的減重。這些精細化設計的方法通常在全尺寸葉片設計中驗證的話代價比較高，不能實現所有失效模式的驗證。所以在近年來我們做了一系列的以積木式方法為基礎的部件測試驗證，包括腹板和主梁粘接部件實驗，包括后緣整體失穩的大部件測試。具體葉片方面，殼體和腹板是通過粘接連接，而粘接連接又是薄弱環節，傳統都是基于簡化分析方法，我們通過進一步基于斷裂力學的分析思路方法引入到結構設計中，通過G1C、G2C測試，到腹板主梁玻璃測試及后緣拉伸玻璃測試驗證分析方法，逐步應用到結構設計過程中。

穩定性部件測試方面，這是后緣大部件的極限測試，全尺寸測試代價很高，通過部件測試的手段不僅能夠準確地驗證失效模式，同時能夠以較低的成本實現測試。在這個過程中消化引入一些DIC測試技術，幫助我們更好地理解結構的非線性的響應行為。

精細化設計的另一方面是更精確地載荷，通過將傳統的極限四方向載荷的設計更新設計為以十二方向或者二十四方向的POLAR載荷設計，不僅提升了設計抗失衡設計許用值，同時減輕了結構的重量。

在結構設計創新方面，為了解決陸上葉片運輸困難和運輸成本占比比較高的問題，我們近年來做了一些探索，為了解決中東南地區復雜地形及高速路限制問題，我們進行了分段技術的探索，包括以機械連接、粘接連接不同連接方式的經濟性的研究，以及技術可行性的研究，期望陸上大葉片的運輸問題得到一定問題的解決。

以上從氣動結構一體化、新材料的開發引進及制造過程控制及結構精細化設計、創新設計幾個方面對近年來在結構設計領域保證可靠性的前提下實現葉片輕量化的探索，最后再提幾點思考。

第一，對于設計技術及工具的思考。為了解決氣動結構一體化問題，如何基于商業軟件或者自研的工具建立起氣動結構一體化設計體系，把它融入到與主機迭代過程中實現多學科、多目標綜合優化的目的。這是探索的方向。

新材料領域有兩個點：1、如何以最小必要的測試加快新材料的開發及產業應用來服務于越來越快的產品開發周期。2、如何根據新材料的性能進行針對性的葉片結構設計，比如引入熱塑性樹脂如何針對它的性能特點進行葉片的結構設計。

第三，制造過程控制方面，如何基于設計容差完善制造過程控制，降低葉片制造成本同時提高可靠性，該嚴的地方嚴，該松的地方松下來，這是我們努力的方向。

第四，結構設計分析方法，如何將設計部件測試設計方案實現目標失效模式下分析方法的驗證，雖然我們做了一些嘗試但還有很多工作值得研究和探索，進一步將分析方法的精度及驗證工作做得更好，更好地為葉片產品開發過程服務。最后，如何基于斷裂力學或非線性穩定性高精度但高成本的設計技術應用到產品的開發迭代過程中，因為他們的成本或者需要的時間比較多，如何將其有效地融合到現在的快速平臺開發葉片設計的迭代過程中，這是我們考慮和努力的方向。

以上是我的報告，謝謝大家的聆聽。

（文章內容來自于現場速記，未經本人審核）