風(fēng)機(jī)葉片RTM工藝模擬分析及其優(yōu)化

　　復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性有，要求具有長期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐侯性和合理的價(jià)格。因此，葉片的設(shè)計(jì)和質(zhì)量十分重要，被視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)水平代表。傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電楓葉片多采用手糊工藝（Handlay-up）制造。手糊工藝生產(chǎn)內(nèi)機(jī)葉片的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于工人的操作熟練積蓄及環(huán)境條件，生產(chǎn)效率低而且產(chǎn)品質(zhì)量波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率高。葉片在使用過程是由于手糊工藝過程中的含膠量不均勻、斷裂和葉片變形等問題。此外，手糊工藝過程伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有環(huán)境污染問題。因此，目前國外高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用RTM（聚胺酯反應(yīng)注射成型）、RTM、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝制造。其中RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉征是首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體（Preform），采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，排氣系統(tǒng)保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具的加熱系統(tǒng)可使樹脂加熱固化而成型復(fù)合材料構(gòu)件。RTM工藝屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝，特別適宜一次整體成型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，無需二次粘接。與手糊工藝相比，其節(jié)約各種工裝設(shè)備、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低。同時(shí)由于采用低粘度樹浸潤纖維以及加溫固化工藝，復(fù)合材料質(zhì)量高，且RTM工藝生產(chǎn)較少依賴工人的技術(shù)水平，工藝質(zhì)量僅僅依賴預(yù)先確定好的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，廢品率低。
　　 RTM工藝的技術(shù)含量高，無論是模具設(shè)計(jì)和制造、增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)和鋪放、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)（如注射壓力、溫度、樹脂粘度等）的確定與實(shí)施，都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)前通過計(jì)算機(jī)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來確定。模擬似真作為RTM工藝的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展迅速，等溫和非等溫條件下一維、二維、三維的模擬仿真模型已經(jīng)被提出。江順亮采用了RTM工藝自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)，成功地產(chǎn)現(xiàn)了RTM工藝中樹脂流動充模過程的模擬仿真。模擬仿真步驟：首先利用RAT-RAN軟件建立構(gòu)件的有限元模型；然后將有限元模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算軟件中進(jìn)行計(jì)算；最后再利用PATRAN軟件對計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并實(shí)現(xiàn)流場和壓力場的顯示。通過專業(yè)分析進(jìn)而對具體工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

    1　數(shù)學(xué)模型
    在RTM工藝中假設(shè)預(yù)先鋪設(shè)在模腔中的纖維增強(qiáng)材料為剛性體，樹脂為不可壓縮牛頓流體，忽略表面張力的影響；由于模腔尺寸遠(yuǎn)大于纖維氈的孔隙，因此樹脂在閉合模腔中的流動行為可用牛頓流體通過多孔介質(zhì)的流動過程來描述，描述樹脂流動行為的達(dá)西定律可表示為:

    其中：u、v和w是3個速度分量，kij(i,j=x,y,z)
    笛卡兒坐標(biāo)下滲透率張量。假設(shè)樹脂和纖維的密度不變，即樹脂為不可壓縮流體，為了保持枝脂的質(zhì)量平衡，速度場必須滿足散度條件: