碳纖維葉片殼體真空灌注成型工藝仿真模擬

暴小娜，吳曉青*，吳海亮，江一杭，劉鮮紅，楊忠

（1.天津工業大學，天津 300387；2.東方電氣（天津）風電葉片工程有限公司，天津 300387）

大型風電葉片，因為長度的增加，質量相應地增加，為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須要有一定的剛度。大型葉片采用碳纖維增強材料，不僅可以減輕葉片的質量，還可以達到強度與剛度條件[1,2]。碳纖維多軸向經編織物因其結構，被廣泛應用于風電葉片制作中，由于碳纖維價格較玻纖高，且樹脂不易浸漬，因此研究樹脂在碳纖維風電葉片灌注過程十分重要。真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝已經被各風電公司廣泛應用于生產風機葉片中。人們對利用計算機模擬軟件來降低VARTM 工藝時間和成本給予越來越多的重視。對于設計模具合理化和工藝參數優化的工作可以由計算機模擬仿真結果來進行指導。

VARTM 工藝成型過程不僅和樹脂的粘度、制備過程的真空度和溫度等外在因素有關，還和預制件本身織物結構的滲透性有關，這些因素都會影響樹脂的充模流動和樹脂的固化。在風電葉片中合理地設置灌注的進膠口和出膠口的數量和位置，不只能夠節約樹脂的用量，還能夠提高生產的效率、減少成本、避免因為樹脂的流動不均而產生的孔隙等缺陷[3]。因此，使用軟件來模擬和改良注射方案是十分有效的。而常用的通過實驗方法來確定VARTM 的進膠口和出膠口位置及個數，既消耗大量材料，又增加人力物力的成本[4-9]。湯揚閣等[10]設置了不同注膠方式、導膠管間距的充模時間，分析了樹脂流動形態和出膠口位置，優化得到了最佳風電葉片根部的注射方案。傅宏俊等[11]對VARI 制備高長徑比復合材料過程中的樹脂流動行為進行模擬與實驗研究，利用PAM-RTM 軟件模擬樹脂流動過程，討論了各工藝參數對樹脂流動的影響。陳吉平[12]等研究了線注射方式及端部注射的浸潤效果和效率要好于點注射及梢部注射。

為了提高葉片殼體灌注效率、降低成產成本，本文采用仿真模擬有限元軟件對大型風電葉片VARTM 工藝成型復合材料進行流道設計和模擬，指導流道設計并優化工藝參數，為成型工藝的設計和產品的制作提供參考。

1 數學模型

現在大多VARTM 充模模擬的數學模型是把流體當作不可壓縮的、能在多孔介質中流動，是在 Fracchia 和 Bruschke 等基于Darcy定律和連續方程建立的數學模型的基礎上發展而來的。

（1）連續方程

其中ux、uy、uz分別表示為x、y、z 三個方向的速度分量，m/s；t 為時間,s；ρ 為密度，kg/m3。

（2）Darcy 定律

v 表示為單位面積的體積流速，m/s；K 表示為滲透率的張量，m2；μ 表示為流體的黏度，Pa·s；表示為壓力梯度，Pa/m。滲透率是影響復合材料成型工藝的關鍵因素之一，表示了樹脂浸潤織物的能力，與織物的結構有關。

樹脂的流動在平面內和厚度方向上流動，所以把它看做三維結構，三維流場上的達西定律為：

其中，u，v，w 為三個速度分量；Kij（ij=x，y，z）為笛卡爾坐標系下滲透率分量。結合達西定律和連續方程，得到在VARI 充模過程中的基本控制方程：

其中nx，ny，nz是積分表面方向矢量分量。模擬軟件采用有限元控制體積的方法進行求解。

2 風電葉片VARTM 工藝模擬

2.1 織物滲透率測試

織物的滲透率是影響樹脂流動浸漬的重要參數，因此對織物滲透率進行實驗測量，如圖1 所示，監測透明玻璃模具的上、下樹脂流動情況，記錄樹脂在恒定壓力的情況或恒定流速情況下對纖維織物實驗材料在x，y，z 三個方向上的流動狀態，依據樹脂前沿的位置和形狀得到織物主滲透率的比值，利用壓力傳感器測量注射口的壓力，代入到Darcy 定律中，求出三維滲透率Kx，Ky，Kz 的值，其中X 和Y 方向表示為面內方向，Z 方向表示織物厚度方向。

圖1 織物滲透率測試裝置圖

2.2 模型的建立

在CATIA 軟件建立葉片迎風面長度為90m，最大弦長（寬度）為5m 的風電葉片殼體三維模型，如圖2。對風電葉片殼體進行網格劃分，網格類型選取等腰直角三角形，網格大小設置為100mm，如圖3 所示。由于葉片模型長度較大為90m，因此網格劃分之后不明顯，圖中a 為局部網格放大的圖形。

圖2 葉片的迎風面模型

圖3 網格劃分示意圖

由于風電葉片外殼厚度不可以忽略，因此需要對導入的模型進行修改，將有限元劃分好的葉片殼體導入到PAM-RTM 軟件中，對其進行編輯。

根據葉片殼體材料實際鋪覆情況，對殼體進行鋪層，第一層為殼體蒙皮部分，簡化為5mm，第二層從葉根處開始鋪覆織物到4000mm 處，鋪覆厚度為25mm，從距離葉根前端4000mm，直至距離葉尖為1000mm 處，巴沙木厚度為40mm；第三層鋪覆殼體蒙皮織物，鋪覆厚度為5mm；最后在葉根部分增強，厚度為15mm。鋪層如圖4 所示。

圖4 葉片殼體的鋪層圖

2.3 材料屬性設置

本次模擬風電葉片鋪層織物選用碳纖維雙軸向[+45°/-45°]鋪層的經編織物，該織物的不滲透率由上節實驗測試的方法求出，在軟件中輸入相應的參數如表1 所示。樹脂在巴沙木中不可滲透，只能通過巴沙木的小孔和矩形間隙流道來進行流動，得到巴沙木中流道的等效值，把所需要的參數在軟件中進行輸入。本文中設定滲透率K1 的方向為參考坐標系X 軸方向，K2 方向與K1 方向正交，即為Y軸方向，K3 為厚度方向即Z 軸方向。

表1 參數設置

本次充模模擬采用樹脂為環氧樹脂，粘度為0.26Pa·s，注射壓力為1 ×105Pa。將相關參數在處理器中進行設置。

2.4 邊界條件設置

VARI 工藝制作10MW 風電葉片通常采用流道注射的方式。因為本文風電葉片尺寸較大，樹脂在風電葉片橫向上流動的變化比較平緩可以不考慮，因此其不會產生樹脂流動速度不同而引起的樹脂固化不均勻的狀況，依據現有注膠方法結合實際葉片注膠經驗，設計以下四種不同注膠方案。方案1 的設計情況為：在沿著葉根部分環向設置了一道注膠口，在葉片長度方向的中線設置了注膠口，即在葉片中線上布注膠口；在葉片外形設計外圍兩條出膠口。方案2的設計情況為：在方案1 的基礎上，在葉片長度方向設置了三條垂直于其長度方向的注膠口，形成魚骨形注膠口。方案3 的設計情況為：在方案2 的基礎上，在葉根部分沿著環向設置了兩道注膠管道。方案4 的設計情況為：在方案3 的基礎上，增加了2 道垂直于葉片長度方向的注膠口。模擬方案如圖5。

圖5 4 種方案的流道示意圖

2.5 VARTM 工藝充模模擬結果與分析

樹脂灌注葉片的時間云圖和灌注過程流動前沿在不同的時刻的位置分布如圖6。樹脂灌注結果如表2。

圖6 4 種模擬結果時間云圖

表2 方案模擬結果

通過仿真模擬的結果和表2 可以看出：方案1 中，由于葉片殼體部分鋪覆了巴沙木，巴沙木的滲透率較高，樹脂在葉片殼體部分滲流較快，而葉根部分織物滲透率較小，雖然與葉片殼體部分總厚度相同，但是當葉片殼體填充完時，葉根部分樹脂仍在流動，因此整個注膠時間較長。所以鋪層材料的滲透率對葉片充模時間影響非常大。

方案2 中，設置了3 條垂直于葉片長度方向的流道，形成魚骨形流道，由于增加了樹脂的通道，因此，較方案1，樹脂填充時間減少1049s。這是因為增加了樹脂流動的流動位置和數量，使得樹脂填充整個葉片的時間減少。

方案3 中，在葉根部分較于方案2 中增加了一條環向注膠口，樹脂填充時間減少1894s，這是因為葉根部分滲透率小于葉片部分，樹脂不易填充，增加的環向注膠口提高了充模效率。因此，葉片的充模應該盡可能地設置在葉片根部。

方案4 中，在垂直于葉片長度方向增加了注膠管道，較方案3縮短了218s，縮短時間不明顯，這是因為葉尖處，葉片較窄，垂直于長度方向的注膠管道作用降低。

根據上述分析得出，根據實際情況對風電葉片殼體進行鋪層，發現樹脂在葉根處浸漬緩慢，在葉片殼體流動快。這是因為葉片鋪層材料的滲透率影響樹脂充模時間，在葉片殼體中，巴沙木芯材滲透率高，使樹脂在該葉片殼體區域加速流動。在葉片殼體設置魚骨形流道可以加速樹脂流動，縮短浸漬時間。葉片的充模要盡可能地設置在葉片根部，以此減少在葉片中樹脂的流動距離，進而縮短充模時間。

3 結論

本文針對大型碳纖維風電葉片樹脂灌注不充分的問題，對樹脂浸漬葉片進行了分析，設置了四種流道灌注方式，通過VARI 工藝模擬，節約了該型號風電葉片研究的人力和時間成本。結果表明：（1）通過對風電葉片的模擬仿真，得出鋪層材料的滲透率對葉片充模時間影響非常大。（2）隨著流道的增加形成的魚骨形流道，加速了樹脂的流動，縮短了充模時間。（3）葉片的充模盡可能地設置在葉片根部，隨著葉根處流道的增加，兩條環向流道的設置，使充模的時間減少，減少了樹脂在葉片中的流動距離，避免干斑等缺陷的產生。