复合材料风机叶片树脂传递成型过程工艺参数研究

叶片足风力发电机组的关键部件之-，直接影响着整个发电机组的性能 I，随着风力发电的飞速发展，I1r片朝着大型化方向发展，MW级叶片已经出现并大量投入使用 国内外大型风力发电机叶片大量采用复合材料以提高性能。树脂传递模塑(RTM)工艺采用闭模成型：E艺，特别适宜整体成型的风力发电机叶片(纤维 、夹 和接头等可-次模腔中共成型 )，无需二次粘接。RTM工艺 日益成为复合材料叶片制造的主导工艺技术之- 。高效地生产质量稳定的产品，关键技术在于选择合适的工艺参数 ，制定合理的工艺方案。通过对成型过程进行模拟分析，能够预测熔体在型腔内的状态及变化规律，从而可以辅助模具设计和成型工艺参数的设置与优化，对风力发电机叶片等关键部件的生产十分重要。

对 RTM工艺参数进行分析的难点是求解区域随着树脂的注入不断发生变化，模拟方法主要有有限元/控制体积法 和贴体坐标/有限差分法6I，其中，有限元法适合解决复杂边界情况，并可以进行i维模型分析。基于有限元，j空制体积法 ，对复合材料风力发电叶片 RTM树脂传递成型过程进行模拟分析。针对风机叶片 RTM制造存在的主要缺陷-充填时间过长和翘曲变形量大等问题，对保压控制参数 、溶体温度和模具温度等工艺参数进行研究。

2叶片树脂传递成型工艺过程图 1 RTM工艺流程Fig.1 RTM Process真空灌注首先在-个耐压的密闭模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强纤维材料预成型体，应用薄膜包覆敞口模具 ，利用真空泵抽真空，借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导，用压力将树脂注入到结构层中彻底浸润纤维，并进行保压增密，冷却固化而成型。成型制作过程包括塑化、填充 、保压和冷却 4个主要阶段，其中主要作用的工艺参数随着注塑过程的来稿日期：2012-06-15基金项目：国家自然科学基金资助项目(51205370)作者简介：铁 瑛，(1978-)女，博士.副教授，硕士生导师，主要研究方向：复合材料结构设计与制造善 48 铁 瑛等：复合材料风机叶片树脂传递成型过程工艺参数研究 第4期变化而变化。具体工艺流程，如图 1所示。无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改生、 艺参数(如注射压力、保压控制参数、温度、树脂粘度等)的确定与实施，都需要在产品生产前通过计算机模拟分析和实验验证来确定，从而有效保证质量的-致陛，这对生产风力发电机叶片这样的动部件十分重要。

3叶片树脂传递成型过程分析3.1有限元/控制体积法求解基本方程为了模拟 RTM加T过程，做了以下假设：在固体(纤维布 )和液体(树脂)之间没有质量交换；纤维布和树脂的密度保持不变，即充模过程是不可压缩的；树脂是牛顿流体，即粘度不随剪切速率变化；忽略惯性作用，由于注射速牢比较低，这是合理的；表面张力与粘性力相比忽略不计。当树脂浸渍区域在任意充填时刻给定时，可以利用压力边界条件通过求解压力控制方程而得到压力场的分布 。压力场方程：对压力控制方程应 HGarlerk in加权有限元法，并利用边界条件，整理后可得注射口和已充满节点的压力场方程：] (1)式中： ]-刚度矩阵； - 力矢量及；Q，-流率矢量。

刚度矩阵和流牢矢量分量计算公式如下：n l Kj.V dqi 厂 (2)式巾：，v-面积坐标表示的插值函数；-渗透率张量；竹-树脂粘度。

IPI尸nlQl0引入充填因子 厂表征树脂对控制体的浸渍程度。对于任意给定时刻 tk，如果树脂浸渍区域已知，求解式(1)可以得刮人口点和内点的压力场分布以及各前沿节点的静流率。

树脂I舌l化过程中温度改变导致粘度变化计算公式为：叼：：77。(71)c exp[ (T)t] (3)式中：r/ ( )-树脂体系初始叵温温度下的粘度；G-表征体系粘温变化规律的特征参数IsI，mPa-S；B( )-表征固化反应速率的参数，B>0。

32有限元求解基本参数叶片尺寸为(0.80x9.50xO.64)m，材料选用玻璃纤维复合材料，其固体密度为 1.1561xl0。kg/m3熔体密度为 1.0162x10 k咖 ，第-主方向上弹性模量为4947.2MPa，第二主方向上弹性模量为4009.62MPa，最大剪切应力 0.31MPa，最大剪切速葺茜1000001/s，纤维渗透牢为 4.56x10 13：，I 艺参数为模具温度 65。，熔体温度250。。基于有限元基本打程和压力、流率边界条件，构建复合材料叶片RTM分析模型，如 2所示。

网2有限厄模型浇口和冷却系统设置Fig.2 The Sprue and the Cooling System Settingsot Finite Element Model为了尽量避免由于浇口位置没置不 引起的制件缺陷，模型浇口位置在 2所示位置.指定水管直径为 O.08m，水管与I1片之间的距离为0.1n ，设置20条水管，冷却液为系统默认的水。

4叶片加TT艺参数分析4.1不同保压控制参数保压控制参数，即 H时川干 力。保压 乃是指对模腔内树脂熔体进行f 实以及维持向模腔内进行补料流动所需要的压力。保， 压力足重要的江塑 T 艺参数之- 保压控制参数分两组：A.为保乐时问是 10s，你riT.J 力为允顷 J的80%； 为保压开始后的前 20s 几力为充填 力的 I50%，后 2s保 力线性降为o.A 和 r1 保 参数下注射点 曲线，如 3所永。其巾保压参数设置为A 时， 罔it 1陔制品生产时选川注塑机的注塑 力需大r等丁70MPa.俅 参数没 为 时，充填过程巾注射位置处最大 力为64MPa左 ，然 进入保 阶段，注射位置处最大压 需芟96.12M，1l !网3不 几：参数 1-719fi：Jjlf点 i力I线Fig.3 Injection l i'esslre Curw：urnletDifeIenlDwell Pressur(、ParLll'le[e比较 A， 4 洲1线设 下，总体翘fI1变形方而，翘分布没有改变，郁是nr片火端l卡1 部 i什I鞋最大，'PTI翘曲量最小，其他 域渐变，数值上最大翘 挝从5.422mm降至4.584mm方向翘曲量分布发生变化，A 时叶片尖端翘ff1量最大，叶片叶I部翘f1量最小，其他部分翘曲 渐变； 1时叶片的尖部4tl，r片中部翘帅量最大，其他部分渐变，数值上 方向最大 1 从2.388mm减至0.75191rim，如 4所示 z方向翘[fI鲢分布情 发生变化，A 时叶片尖部翘fl1最最大；A，时注塑化苜处附近翘曲世最大，数值上 Z向最大翘曲量从 3.091 Inm降至 1.304nml，如 5所示。

52 机械设计与制造No.4Apr.20133.2优化结果优化目标随迭代代数的变化曲线，如图3所示。优化获得的最佳波形环高度为 1.60mm，在该参数的情况下，优化获得的最佳缩短率为 1.8011%。为了验证优化结果的可靠性，对该优化参数下的支架进行有限元分析，计算获得的结果为1.8299%。优化获得的性能参数和数字模拟实验获得的结果非秤近，误差仅为1.57%，从而证明了该优化方法的可靠性。

JIjL好厘暴图3优化目标随迭代代数的变化曲线Fig.3 Evolution of Generations for Stent Optimization4结论(1)RBF神经网络响应面具有全局的高度非线性映射特性，利用BRF神经网络能够获得支架缩短性和设计参数之间非线性关系的映射模型。

(2)遗传算法具有全局收敛性，对优化初值敏感性低的优点，特别适用于获得复杂的非线性问题的全局最优解。

(3)有限元样本分析 、RBFNN响应面训练和优化过程可实现完全分离，因而优化计算量大大减少，这对支架轴向缩短性优化，特别是支架缩短性非线性有限元分析尤为有效。

(4)给出的建模和优化方法在其他的复杂工程应用中具有很大的应用前景。