基于3D MAX和Bentley系列軟件的風(fēng)電塔筒工藝流程可視化研究

祝亞倫 郭乾申 董澤鑫 惠 冰

（上海電力機(jī)械有限公司，上海 200245）

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，在大力推進(jìn)綠色低碳、科技創(chuàng)新的形勢下，新能源事業(yè)蓬勃發(fā)展。世界能源結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷著重大變革[1]，風(fēng)能作為可再生資源，地位越來越重要。風(fēng)機(jī)塔筒起到支撐整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵性作用。結(jié)合公司實(shí)際需求和市場環(huán)境，針對風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行工藝流程的可視化研究十分必要。本文以某6.x風(fēng)電機(jī)型塔筒為例，通過3D MAX和Bentley系列軟件，對該機(jī)型塔筒工藝流程進(jìn)行可視化研究，并將其應(yīng)用于工程人員之間的技術(shù)交流，使生產(chǎn)制造過程更加直觀，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過對各工序間進(jìn)行可視化研究，使之流轉(zhuǎn)更協(xié)調(diào)配合，銜接更緊密，提高了生產(chǎn)效率。

1 塔筒工藝流程

風(fēng)電塔筒的工藝流程與質(zhì)量控制十分重要[2]。它的主要工藝流程為“劃線下料→卷制成型→縱縫焊接→回圓矯正→法蘭與筒體組對焊接→噴砂除銹→油漆涂裝→內(nèi)附件安裝”。

2 可視化制作

在Bentley系列軟件中，將加工使用的機(jī)械設(shè)備以及相關(guān)產(chǎn)品建立三維模型導(dǎo)入3D MAX中，根據(jù)工藝流程進(jìn)行可視化制作。

2.1 劃線下料

基于3D MAX進(jìn)行下料工藝演示時(shí)，需要預(yù)先建立工件模型、需要的加工設(shè)備及加工車間等。目前，風(fēng)電塔筒的下料基本采用數(shù)控火焰切割機(jī)[3]，切割鋼板等金屬材料。數(shù)控火焰切割機(jī)如圖1所示。

將建好的模型導(dǎo)入3D MAX中進(jìn)行鋼板下料動畫制作。先對數(shù)控火焰切割機(jī)模型中的各部件通過動作分析分成不同的動作組，每個(gè)組內(nèi)的部件在整個(gè)組中為子集與父集的關(guān)系。根據(jù)數(shù)控火焰切割機(jī)的加工流程制定動畫腳本，再根據(jù)腳本對建立的模型加以動作及幀。3D MAX中每一個(gè)模型均可以加以動作及幀，根據(jù)動畫腳本在不同的幀數(shù)給有動作變換的模型加以X、Y、Z軸上的移動、旋轉(zhuǎn)及縮放等動作，制作一段幀數(shù)內(nèi)的動畫。

通過SuperSpray調(diào)整粒子的發(fā)射速率、偏移、粒子種類及大小等參數(shù)，以調(diào)整粒子噴射的形狀及樣式，加以動作以模擬數(shù)控切割機(jī)割槍的火焰噴射。鋼板下料完成后，需開坡口。在Bentley系列軟件中，利用OpenBuildings Designer建立鋼板坡口切割機(jī)模型，并將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成交互文件fbx導(dǎo)入3D MAX。制作鋼板開坡口的動畫，如圖2所示。

圖1 數(shù)控火焰切割機(jī)

圖2 鋼板開坡口

2.2 卷圓焊接

風(fēng)電塔筒的橢圓度、直線度控制和合理裝配，是整個(gè)塔筒建造過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。相關(guān)的工藝控制直接影響整個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì)[4]。筒節(jié)的卷制過程需要建立卷圓機(jī)、回圓機(jī)等設(shè)備模型。卷圓過程中應(yīng)注意，筒節(jié)卷制方向應(yīng)和鋼板的軋制方向一致，卷圓完成后進(jìn)行縱縫焊接。塔筒的縱縫組對有著嚴(yán)格的技術(shù)要求，需控制筒體對接間隙為0.5～2.0 mm，錯(cuò)邊量不超過1 mm。它的技術(shù)及檢驗(yàn)要求通過After Effects進(jìn)行標(biāo)注，并通過后期Premiere Pro剪輯加入到動畫演示中，以達(dá)到重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的作用，避免因加工不規(guī)范而導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量不過關(guān)。

縱縫焊接前先用砂輪打磨去除坡口內(nèi)雜物、銹斑和油污等，露出金屬光澤后進(jìn)行施焊。卷制對接點(diǎn)先點(diǎn)焊再采用自動埋弧焊進(jìn)行施焊。施焊過程采用焊槍模型和SuperSpray噴射粒子進(jìn)行模擬，如圖3所示。

圖3 縱縫焊接噴射粒子模擬圖

待筒節(jié)縱焊縫充分冷卻后，筒節(jié)需要進(jìn)行二次校圓，如圖4所示。筒節(jié)校圓時(shí)，需要重點(diǎn)測量筒節(jié)的弧度以及大、小口的各方向直徑差等。檢驗(yàn)要求通過After Effects制作，并加入到工藝流程動畫中。

圖4 二次校圓過程圖

2.3 法蘭與筒體組對焊接

風(fēng)力發(fā)電高塔中，塔筒是風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)部件。因?yàn)樗驳捏w積過大，制造時(shí)需要進(jìn)行分段制造，然后用法蘭將塔筒的分段進(jìn)行連接。若在法蘭與筒體的組對焊接過程中出現(xiàn)了細(xì)節(jié)失誤或手法錯(cuò)誤會導(dǎo)致法蘭變形，影響塔筒的焊接質(zhì)量。

法蘭與第一筒節(jié)在豎直情況下與法蘭點(diǎn)焊牢固，焊點(diǎn)呈環(huán)狀分布。在3D MAX中，筒節(jié)相應(yīng)位置分別加入不同時(shí)間段噴射的超級噴射粒子，模擬點(diǎn)焊過程，如圖5所示。在Bentley中建立滾輪架的三維模型，將其導(dǎo)出成交互文件fbx文件格式導(dǎo)入3D MAX。在文件導(dǎo)入3D MAX時(shí)，需要注意統(tǒng)一坐標(biāo)系和單位問題。筒節(jié)置于滾輪架，將筒節(jié)與筒節(jié)之間組對，分組施焊，組對成塔筒，如圖6所示。

圖5 法蘭與筒節(jié)點(diǎn)焊圖

圖6 筒節(jié)與筒節(jié)組對施焊圖

2.4 噴砂除銹

風(fēng)電塔筒的防腐是工藝流程中極為重要的一環(huán)。所有的噴涂表面必須在塔筒及筒壁連接的附件焊接完畢后整體進(jìn)行噴砂除銹。該工序中需要的廠房、塔筒以及運(yùn)輸車輛等三維模型通過OpenBuildings Designer軟件進(jìn)行構(gòu)建，再通過FBX交換文件格式導(dǎo)入3D MAX。需要注意單位換算，高級選項(xiàng)中的單位應(yīng)勾選“毫米”。導(dǎo)入模型后，根據(jù)實(shí)際情況制作模型關(guān)鍵幀，通過Premiere Pro對噴砂工序的技術(shù)要點(diǎn)難點(diǎn)添加文本字幕進(jìn)行說明，同時(shí)要求噴砂防銹表面達(dá)到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T 8923—1988）標(biāo)準(zhǔn)中的Sa2.5級規(guī)定。噴砂結(jié)束后，應(yīng)盡快涂裝第一道底漆。

2.5 油漆涂裝

噴砂除銹完成后，對塔筒進(jìn)行油漆涂裝。該機(jī)型塔筒制造采用4道油漆涂裝，分別為環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵漆中間漆、聚氨酯面漆以及氟碳面漆。對于同一單元部件，只允許使用同一涂料供應(yīng)商提供的涂料產(chǎn)品。

通過OpenBuildings Designer軟件進(jìn)行動畫模型的三維建模，再導(dǎo)入3D MAX中制作關(guān)鍵幀。采用封閉式車間涂裝施工，以便有效控制涂裝環(huán)境和施工條件，確保涂裝質(zhì)量。運(yùn)用3D MAX中的材質(zhì)編輯器對塔筒進(jìn)行材質(zhì)賦予操作，表現(xiàn)油漆涂裝完畢的顏色狀態(tài)，克隆塔筒，將噴砂狀態(tài)的塔筒在油漆涂裝結(jié)束后的可見度設(shè)置為0。油漆涂裝完畢后，將塔筒運(yùn)至內(nèi)附件安裝的堆場。

2.6 內(nèi)附件安裝

風(fēng)電塔筒內(nèi)附件安裝時(shí)，避免在筒體內(nèi)部硬拖、碰撞，以防造成塔筒內(nèi)壁損傷[5]。該機(jī)型塔筒底段配備4層平臺，二段、三段配備1層平臺，頂段配備2層平臺。通過OpenBuildings Designer軟件構(gòu)建的塔筒、內(nèi)附件零件等三維模型導(dǎo)入3D MAX，運(yùn)用材質(zhì)編輯器賦予各部分對應(yīng)的顏色貼圖，并可用外部圖片直接將其拖拽復(fù)制到材質(zhì)球上進(jìn)行設(shè)置貼圖。將塔筒模型通過編輯網(wǎng)格模式分離成兩部分。在內(nèi)附件安裝關(guān)鍵幀制作過程中，一部分塔筒模型可見度逐漸消失為0，此時(shí)內(nèi)部的內(nèi)附件便清晰展示在鏡頭畫面中。待內(nèi)附件安裝完畢，塔筒所有部分可見度恢復(fù)為1，完成內(nèi)附件安裝工序，如圖7所示。

圖7 內(nèi)附件安裝示意圖

3 現(xiàn)場實(shí)際與可視化對比展示

以某6.x風(fēng)電機(jī)型塔筒制作工藝為例進(jìn)行可視化研究。目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成，現(xiàn)將一個(gè)現(xiàn)場實(shí)際與可視化截圖對比進(jìn)行展示，如圖8和圖9所示。

圖8 現(xiàn)場實(shí)際圖

圖9 可視化截圖

4 結(jié)語

基于3D MAX和Bentley系列軟件的風(fēng)電塔筒工藝流程可視化研究，已應(yīng)用于某塔筒制造項(xiàng)目的相關(guān)人員培訓(xùn)、技術(shù)交底、生產(chǎn)車間的調(diào)度配合及虛擬制造驗(yàn)證工藝等方面。通過此項(xiàng)技術(shù)可進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量合格率，縮短生產(chǎn)制作周期，降低生產(chǎn)成本，提高公司產(chǎn)品在市場中的競爭力，并對同類型項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。