大型风电叶片模具的结构设计及分析

解 慧，邓 航，杜 雷，林能发

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

随着全球低碳排放的呼声日盛，以及能源短缺、能源供应趋势日益紧张，新能源作为一种清洁无污染，有益于环境保护的能源，在全球各国的能源战略中地位不断提高。风能资源作为可再生能源中成本较低、技术较为成熟、可靠性较高的新能源，近年来发展很快并开始在能源供应中发挥重要作用。近年来，随着大功率风力发电机的发展和南方低风速风场的开发，大型超长叶片的技术研究愈来愈重要。同时，相应大型超长叶片的大型模具的设计和开发也为高精度、高质量的叶片成型提供了坚实的基础。

许蕾[1]等利用UG软件的建模及分析能力，对叶片模型进行了法兰设计和分段钢架设计，为风机叶片模具分段设计提供了参考。石鹏飞[2]从传统风电叶片出发，阐述了壳体模具设计制作工艺，为各类型号的风电叶片模具设计制作提供了重要实践参考。李淼[3]等利用有限元分析软件ANSYS对钢架进行了优化设计，对叶片模具的优化设计提供了参考。李良君[4]从阳模和阴模的制造工艺和过程阐述了叶片模具的生产，并指出了其存在的问题和发展方向。

一个具有良好气动外形的叶片，可以提高机组的能量转化效率，获得更多的风能，叶片模具是保证外形的关键方法，模具的设计与制造是叶片的关键技术之一。本文从大型风电叶片模具的设计出发，利用三维软件强大的建模功能，对叶片模具进行设计，并利用有限元分析软件Abaqus对叶片模具进行结构计算，为叶片模具制作提供可靠依据。

1 叶片模具设计

1.1 模具型面设计

叶片的气动外形确定后即可对叶片模具进行设计。叶片组成主要包括迎风面壳体(PS面)、背风面壳体(SS面)、腹板、梁等。叶片结构示意图如图1所示。

叶片模具设计时，需要对模型进行分模，该步骤在叶片姿态下进行，分模线确保叶片脱模时不卡在模具内，在模型中得到叶片弦长最长的外形轮廓曲线，将该轮廓曲线投影到叶片曲面上得到合模缝曲线，对模型进行对称分模，前缘合模缝宽度3 mm，后缘合模缝宽度2 mm。然后调整PS、SS叶片的前后缘高度差接近于0，接着调整叶片姿态到模具状态下，保证叶尖离地高度、叶根离地高度需满足生产车间要求，一般要求叶尖离地高度接近于叶根离地高度，同时PS面模具和SS面模具叶片最低点需不小于500 mm。

模具姿态调整结束后，进行法兰设计。在模具的前缘和后缘位置随型生成辅助面，法兰的宽度为300 mm。

1.2 模具钢架设计

模具型面及法兰确定后，从模具分型线偏移得到钢架前后缘上部框架线，将这两条空间曲线投影在地面上作为底部框架线，这4条空间线组成模具钢架主体。将模具型面内表面往外偏移得到钢架型面支撑板的上部轮廓，模具型面最低点处的弦向水平线向下偏移得到型面支撑板的底部轮廓，型面支撑板为钢板制作，展向每间隔2 m设计一个，型面支撑板上有限位调节机构，用于调整玻璃钢模具的形状。框架主体采用100 mm×150 mm×5 mm的钢管，每段截面处的竖梁采用100 mm×100 mm×4 mm的钢管，并用80 mm×80 mm×3 mm的钢管做斜撑辅助，钢管材质为Q345。SS面模具固定在地面，与地面用地脚螺栓连接，PS面模具可翻转，底部有方便滑动的脚轮，减少模具翻转过程中的摩擦变形。

1.3 翻转臂设计

模具钢架设计后，根据模具长度、载荷进行翻转臂规格和数量设计，载荷包括模具重量、产品重量、走台等附属工装配置重量。接着需确定翻转臂的位置，翻转臂的翻转轴心需在同一高度的水平线上，各翻转臂的翻转角度差值在1°以内。

2 模具有限元分析

2.1 翻转工况分析

因钢架主体采用钢管材质，钢管数量较多，且钢管截面相对于其长度较小，根据有限元分析理论钢管可以简化为梁单元，而不必建立精细化的实体单元进行求解，可以大大节省计算时间，且保证了计算精度，模型的网格精度为5 mm，单元类型为B32。计算过程中将玻璃钢模具、叶片、走台的重量均匀加载在模具钢架上，在翻转臂连接位置处完全固定约束，尽可能模拟实际叶片模具的受力状态。因实际操作过程中只需要翻转PS面，因此只需对PS面模具的翻转过程进行受力分析，计算时选取长度87 m的模具钢架，取翻转过程中0°、45°、90°、135°、180°5个工况进行静力分析，计算各个工况下的应力及变形。

从图4和图5的分析结果可以得出，翻转过程中90°位置处的钢架应力最大，45°位置处的钢架应力最小，集中在前缘上部主梁，这是因为钢架主要受重力载荷，翻转过程中在90°位置处所受载荷最大，45°位置处所受载荷最小；90°位置处的钢架变形最大，180°位置处的钢架变形最小，因90°位置处所受载荷最大，故变形最大，180°位置处钢架上部朝下，底部结构刚度比上部结构大，该位置处钢架整体结构刚度最大，变形最小。最大应力及变形均分布在主梁钢架上，因主梁承担了玻璃钢模具及产品的重量。从分析结果可以看出，模具的最大应力不超过35 MPa，最大变形不超多12 mm，强度和刚度符合模具制作要求。

2.2 翻转臂受力分析

翻转臂在PS面模具的前缘侧，翻转臂的轴心连线是距离地面高度相同的水平线，确保翻转过程的一致性。计算时将翻转臂简化为连接器单元，确定翻转臂与钢架的连接区域，在区域中心创建参考点1，在翻转臂的轴心连线上找出参考点1的投影点参考点2，创建线连接参考点1和参考点2。翻转所需要的力矩由参考点2处的力矩得出，经分析计算得出最大弯矩为401.4 kNm，发生在叶根第5个翻转臂处，翻转臂要求最大弯矩小于420 kNm，结果满足要求。

3 结论

根据已确定的叶片气动外形，给出了大型风电叶片模具设计的方法，针对性的介绍了模具型面、法兰、钢架、翻转臂关键部件设计，确保整体装配无干涉。接着对模具钢架受力分析，分析结果表明钢架在翻转过程中最大应力30.6 MPa，小于需用应力246 MPa，最大变形10.7 mm，小于模具钢架设计要求20 mm，钢架的刚度和强度均满足要求。对翻转臂的力矩进行分析，结果表明最大弯矩401.4 kNm，发生在叶根第5个翻转臂处，小于420 kNm，满足模具制造要求，为模具制造提供可靠性保证。