2018年10月17日-19日，2018北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2018）在北京新國(guó)展隆重召開。本次大會(huì)由中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)可再生能源專業(yè)委員會(huì)、全球風(fēng)能理事會(huì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力機(jī)械分會(huì)、國(guó)家可再生能源中心和中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院（賽迪集團(tuán)）六大權(quán)威機(jī)構(gòu)聯(lián)合主辦。
中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司大結(jié)構(gòu)機(jī)械部經(jīng)理魯曉鋒在“風(fēng)電機(jī)組大型化技術(shù)論壇”中發(fā)表主旨演講。
他在演講中表示，當(dāng)前風(fēng)機(jī)主流還是兩兆瓦，在這種條件下，大葉片設(shè)計(jì)材料方面仍然沿用了玻纖環(huán)氧的體系，另外結(jié)構(gòu)形式基本上保持了不變。
如何打破這個(gè)現(xiàn)狀，這就涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，從客戶需求方面來(lái)說，客戶需要什么樣的葉片，第一個(gè)就是高質(zhì)量，第二個(gè)快交付，第三個(gè)是低成本。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未來(lái)的趨勢(shì)是需要高性能低成本的材料，需要模塊化和通用化的結(jié)構(gòu)形式，需要參數(shù)化和差異化的剛度設(shè)計(jì)，以及精準(zhǔn)化和精細(xì)化的強(qiáng)度校核，和層級(jí)化系統(tǒng)化的測(cè)試驗(yàn)證。
以下為發(fā)言實(shí)錄：
魯曉鋒：尊敬的各位嘉賓，還有業(yè)界的同仁大家下午好，很高興能夠有機(jī)會(huì)跟大家一起分享大葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，本次跟大家報(bào)告的內(nèi)容主要是包含下面三個(gè)方面，一個(gè)是大葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的背景和現(xiàn)狀，第二個(gè)就是說結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和挑戰(zhàn)，第三個(gè)就是實(shí)現(xiàn)路徑和趨勢(shì)，因?yàn)檫@次題目主要就是講趨勢(shì)，所以我從下面5個(gè)方面對(duì)趨勢(shì)一一做了分析。
講大葉片的背景就是行業(yè)的背景，剛才包括前半場(chǎng)各位演講嘉賓還有剛才上海電氣的馬總都講到了，我這邊就簡(jiǎn)單介紹一下，第一個(gè)就是整個(gè)行業(yè)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭還是相對(duì)比較平穩(wěn)的，第二個(gè)就是大家一直在提到平價(jià)上網(wǎng)的問題，距離我們的目標(biāo)越來(lái)越接近了，第三個(gè)就是剛才海裝的侯總也提了，海上風(fēng)電的推進(jìn)，日益臨近，對(duì)我們?nèi)~片提出了非常高的要求，前面馬總講的時(shí)候，一個(gè)很重要的指標(biāo)單位千瓦的掃風(fēng)面積，風(fēng)電總是要配上一個(gè)大的葉輪，配上一個(gè)大的葉輪確實(shí)是需要我們有一個(gè)比較大的葉片。
說一下大葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀是一個(gè)什么樣的。這個(gè)背景是需要一個(gè)大葉片，我們看看大葉片這些年到底都發(fā)生了什么變化，我們簡(jiǎn)單地以當(dāng)前比較流行的兩兆瓦，雖然說根據(jù)（英文）的預(yù)測(cè)，我們未來(lái)中國(guó)的市場(chǎng)在3兆瓦上，國(guó)外在4兆瓦上，但是主流還是兩兆瓦，兩兆瓦現(xiàn)在都是什么樣的發(fā)展呢？首先就是從前幾年，兩兆瓦是一個(gè)93的風(fēng)輪直徑，我這里面提的系列也是我們發(fā)展的系列，它差不多是每隔5米就是一個(gè)臺(tái)階，兩兆瓦發(fā)展到111是54米，121是59米，我們也有141的葉片用于兩兆瓦，應(yīng)該會(huì)在明年的時(shí)候大量上市了這樣一個(gè)狀態(tài)。
在這種條件下，我們大葉片設(shè)計(jì)是什么樣的，我們材料方面仍然沿用了玻纖環(huán)氧的體系，這是中國(guó)市場(chǎng)上，前面有演講嘉賓提到碳纖維的應(yīng)用會(huì)怎么樣，我們有一個(gè)分析。第二個(gè)就是結(jié)構(gòu)形式基本上保持了不變，基本上做了尺寸的放大，我想可能不光光是葉片，其他的機(jī)組部件也是放大放大再放大，第三個(gè)是安全余量逐步降低，一個(gè)標(biāo)志性就是極限應(yīng)變是越來(lái)越大的，這個(gè)其實(shí)大家做技術(shù)都感同身受。第四個(gè)在我們測(cè)試驗(yàn)證方面，我們依然是采用了四個(gè)方向靜力加上兩個(gè)方向疲勞區(qū)域去做，下面是如何打破這個(gè)現(xiàn)狀。
講到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們需要達(dá)成一個(gè)什么樣的設(shè)計(jì)目標(biāo)呢？前面馬總講了，要低的度電成本，實(shí)際上就是說在這里面我提的不光光就是說是低的度電成本，核心就是三個(gè)，從客戶需求方面來(lái)的，客戶要什么樣的產(chǎn)品，要什么樣的葉片，第一個(gè)就是高質(zhì)量，第二個(gè)快交付，第三個(gè)是低成本，當(dāng)然低成本是客戶最看重的，質(zhì)量是底線，特別是兩海戰(zhàn)略下面這個(gè)更是企業(yè)的生命線。交付上，大家都知道中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)切換很頻繁，變換也很頻繁，所以大家都在講要把我的供貨能力要快速批產(chǎn)，這也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。
另外就是說基于這三個(gè)重要的指標(biāo)，其實(shí)我們衍生出來(lái)對(duì)于大家都比較關(guān)心的，第一個(gè)我要比較輕的重量，大家關(guān)注于成本的時(shí)候通常都不會(huì)說我要一個(gè)多少錢的大葉片，我要一個(gè)12噸以下的，我要一個(gè)10噸以下的大葉片。第二個(gè)就是說需要多樣化的，因?yàn)槊恳患叶枷Ｍ约旱漠a(chǎn)品是最優(yōu)化的，還有一個(gè)就是基于快交付和低成本，大家都希望測(cè)試的時(shí)間那么長(zhǎng)，能不能少一些測(cè)試呢？這個(gè)就是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要達(dá)成的目標(biāo)，需要滿足這些目標(biāo)才能稱得上是比較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
但是要滿足這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)我們存在著很多的挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自于哪里呢？首先就是我想定義一下為什么是大葉片有這樣的一些挑戰(zhàn)，什么樣的葉片是大葉片，其實(shí)在這個(gè)里面，在整個(gè)領(lǐng)域里面沒有一個(gè)人去定義我的葉片是不是叫大葉片，那從規(guī)范上講，大于45米的葉片叫大葉片，但是現(xiàn)在看大家不愿意這樣叫了。我從物理上講大葉片是什么大，長(zhǎng)度大，面積大，還有體積大，我覺得還是比較貼切的。我也統(tǒng)計(jì)了一些數(shù)據(jù)，給出了一些指標(biāo)。第一個(gè)就是說長(zhǎng)度大于60米的叫大葉片，第二個(gè)最大的弦長(zhǎng)大于4米，投影面積大于130個(gè)平方，體積大于120個(gè)立方，或者凈體積大于7個(gè)立方，這樣造成我的葉片很難制造，很難運(yùn)輸，很難獲得很高的質(zhì)量，很難把重量減下來(lái)，很難去做一些更少的驗(yàn)證，很難進(jìn)行各種各樣的變種，所以在這個(gè)條件下，我們的挑戰(zhàn)來(lái)自于四個(gè)方面。
第一個(gè)成型的占模周期時(shí)間長(zhǎng)，上午我也和同行做了交流，說我們現(xiàn)在一個(gè)模具兩天才能出一只葉片，正是因?yàn)槿~片長(zhǎng)度的增加，它的整個(gè)體積增加，導(dǎo)致了我們整個(gè)物料的投放會(huì)增加，會(huì)導(dǎo)致占模的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。第二個(gè)挑戰(zhàn)是什么呢，我一次成型的質(zhì)量比較低，因?yàn)槿~片比較大以后，我們都知道葉片是真空灌注一體成型的，這樣灌注出來(lái)或多或少有一些地方，比如說有一些地方因?yàn)槌叽绲淖兓容^大，或者怎么樣會(huì)有一些褶皺的產(chǎn)生，我也稍微呼吁一下，葉片一次成型出來(lái)有一些缺陷，它是很正常的行為，因?yàn)槿~片是復(fù)合材料，它非常重要的優(yōu)勢(shì)就是可修復(fù)性，修復(fù)完了強(qiáng)度和剛度是非常非常高的。我們需要努力提升質(zhì)量，但是我們也需要去正確地看待大型復(fù)合材料一體化成型本身所涵蓋的一些質(zhì)量缺陷。第三個(gè)就是說成本高，這個(gè)不多解釋，大家都知道大葉片越賣越貴，第四個(gè)就是安全余度越來(lái)越低，基于這四個(gè)挑戰(zhàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)為制造，第二個(gè)就是設(shè)計(jì)為質(zhì)量，第三個(gè)設(shè)計(jì)為成本，第四個(gè)設(shè)計(jì)為全生命周期，這是我們整個(gè)設(shè)計(jì)理念。基于這些目標(biāo)和挑戰(zhàn)我們?nèi)タ?，我們?cè)趺礃幼龃笮徒Y(jié)構(gòu)的葉片設(shè)計(jì)和未來(lái)是在哪里呢？
講到怎么樣去做，我其實(shí)特別想跟大家分享一個(gè)方法論，就是QFD，質(zhì)量功能展開有四個(gè)非常重要階段，第一個(gè)將客戶要求通過規(guī)劃矩陣轉(zhuǎn)化為特性，然后得到部件特性，第三個(gè)從部件特性得到工藝特性，第四個(gè)從工藝特性得到生產(chǎn)特性。我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要就做了第二階段的工作，就是將產(chǎn)品的特性轉(zhuǎn)化為部件特性，并不意味著我們不做后面的所有工作，我們?cè)诓邉濍A段是按照QFD把所有的指標(biāo)全部量化以后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是負(fù)責(zé)解決將產(chǎn)品的核心轉(zhuǎn)化為部件的特性，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)路徑，我給了5個(gè)方面，是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程或者程序，這個(gè)程序不光光是適應(yīng)于葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也適用于其他的零部件的設(shè)計(jì)，首先是材料的選擇，第二個(gè)是構(gòu)型的選擇，第三個(gè)是剛度設(shè)計(jì)，第四個(gè)是強(qiáng)度分析，第五個(gè)測(cè)試驗(yàn)證。
具體的就是說，怎么樣從產(chǎn)品的特性變成部件的特性，從產(chǎn)品的特性可以看到左邊這一列就是產(chǎn)品的特性，然后我們上面這一橫排是部件，左邊是顧客需求，右邊是產(chǎn)品特性，顧客最終需求是什么？就是低的度電成本，分母是什么？分母就是要發(fā)更多的電，我在這里不做發(fā)電量高的分解，因?yàn)檫@是一個(gè)氣動(dòng)設(shè)計(jì)重要指標(biāo)。這底下就是說，我們從開發(fā)成本，材料成本、維修成本、運(yùn)輸成本、安裝成本，全生命周期下我們進(jìn)行了一個(gè)打分還有重要的產(chǎn)品特性，我們總結(jié)下來(lái)我這邊列出了四個(gè)很重要的設(shè)計(jì)特征。從產(chǎn)品特征到部件特征，我把相關(guān)性也做了分析，具體來(lái)講設(shè)計(jì)趨勢(shì)，這5個(gè)方面為什么是重要趨勢(shì)，第一個(gè)材料，材料核心指標(biāo)就是說需要單位成本比剛度和比強(qiáng)度，我們不是看碳纖維性能高，我們就用它，是要看單位成本，以成本為核心。未來(lái)的趨勢(shì)就是更高的模量的玻纖以及其他的。
樹脂這一塊也是，我們關(guān)注的是拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，未來(lái)趨勢(shì)可能會(huì)有高韌性的環(huán)氧體系，還有聚氨指數(shù)值，還有一些快速固化體系還有一些其他的。
芯材要看比模量，這個(gè)要看性能，比如說纖維增強(qiáng)的芯材可以替代輕木，包括可回收。
梁結(jié)構(gòu)更多是獨(dú)立主梁結(jié)構(gòu)將梁和疲的功能分離化，我把它總結(jié)為多梁弱疲型，葉片越來(lái)越大了，越來(lái)越寬了，我們?cè)黾恿撕芏嗟母拱澹@個(gè)時(shí)候做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為制造，舍己為質(zhì)量的時(shí)候，設(shè)計(jì)為成本的時(shí)候，我們需要考慮盡可能減少，而不是越來(lái)越增加，這是對(duì)設(shè)計(jì)上非常好的解決途徑，但是不是為制造也不是為成本。
剛才講到分段葉片，我們未來(lái)可能不光光是說分段，我們要共享葉根或者共享葉間段，其他的就是個(gè)性化。還有多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化算法，另外還有一個(gè)對(duì)于剛度設(shè)計(jì)很重要的就是由纖維去提供的，纖維提供最重要就是優(yōu)化纖維的角度，但是目前我們所用的玻纖都是市面上很規(guī)定的規(guī)格，三軸織物逐漸退出。
在剛度設(shè)計(jì)上另外一個(gè)就是考慮到載荷互動(dòng)的情況，關(guān)于強(qiáng)度方面，做強(qiáng)度不是說單純就是去滿足安全，我這個(gè)東西算完了以后安全系數(shù)大于1，最重要的要做到的一點(diǎn)是精準(zhǔn)不是安全，只有精準(zhǔn)才知道安全的邊界，第一目標(biāo)就是精準(zhǔn)，所以我們認(rèn)為未來(lái)趨勢(shì)是精細(xì)化的有限元是3D的準(zhǔn)則會(huì)更多來(lái)應(yīng)用到更多校核上，這也是葉片很多粘接開裂，這個(gè)時(shí)候?qū)τ谖磥?lái)來(lái)講，我們需要用全局模型和子模型進(jìn)行粘接膠的開裂分析。測(cè)試驗(yàn)證就是多層級(jí)的，就是會(huì)增加咱們部件測(cè)試和子結(jié)構(gòu)測(cè)試，這是為了減少驗(yàn)證周期，減少驗(yàn)證成本，同時(shí)更精確了解葉片結(jié)構(gòu)響應(yīng)最佳的方法。
最后做一個(gè)總結(jié)，其實(shí)剛才講了那么多，我覺得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，未來(lái)的趨勢(shì)是需要高性能低成本的材料，需要模塊化和通用化的結(jié)構(gòu)形式，需要參數(shù)化和差異化的剛度設(shè)計(jì)，以及精準(zhǔn)化和精細(xì)化的強(qiáng)度校核，和層級(jí)化系統(tǒng)化的測(cè)試驗(yàn)證。
