2018年10月17日-19日，2018北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2018）在北京新國展隆重召開。本次大會由中國可再生能源學會風能專業委員會、中國循環經濟協會可再生能源專業委員會、全球風能理事會、中國農業機械工業協會風力機械分會、國家可再生能源中心和中國電子信息產業發展研究院（賽迪集團）六大權威機構聯合主辦。

　　

　　中材科技風電葉片股份有限公司大結構機械部經理魯曉鋒在“風電機組大型化技術論壇”中發表主旨演講。

　　

　　他在演講中表示，當前風機主流還是兩兆瓦，在這種條件下，大葉片設計材料方面仍然沿用了玻纖環氧的體系，另外結構形式基本上保持了不變。

　　

　　如何打破這個現狀，這就涉及到結構設計的目標，從客戶需求方面來說，客戶需要什么樣的葉片，第一個就是高質量，第二個快交付，第三個是低成本。

　　

　　結構設計未來的趨勢是需要高性能低成本的材料，需要模塊化和通用化的結構形式，需要參數化和差異化的剛度設計，以及精準化和精細化的強度校核，和層級化系統化的測試驗證。

　　

　　魯曉鋒：尊敬的各位嘉賓，還有業界的同仁大家下午好，很高興能夠有機會跟大家一起分享大葉片結構設計發展趨勢，本次跟大家報告的內容主要是包含下面三個方面，一個是大葉片結構設計的背景和現狀，第二個就是說結構設計的目標和挑戰，第三個就是實現路徑和趨勢，因為這次題目主要就是講趨勢，所以我從下面5個方面對趨勢一一做了分析。

　　

　　講大葉片的背景就是行業的背景，剛才包括前半場各位演講嘉賓還有剛才上海電氣的馬總都講到了，我這邊就簡單介紹一下，第一個就是整個行業風電行業發展勢頭還是相對比較平穩的，第二個就是大家一直在提到平價上網的問題，距離我們的目標越來越接近了，第三個就是剛才海裝的侯總也提了，海上風電的推進，日益臨近，對我們葉片提出了非常高的要求，前面馬總講的時候，一個很重要的指標單位千瓦的掃風面積，風電總是要配上一個大的葉輪，配上一個大的葉輪確實是需要我們有一個比較大的葉片。

　　

　　說一下大葉片結構設計現狀是一個什么樣的。這個背景是需要一個大葉片，我們看看大葉片這些年到底都發生了什么變化，我們簡單地以當前比較流行的兩兆瓦，雖然說根據（英文）的預測，我們未來中國的市場在3兆瓦上，國外在4兆瓦上，但是主流還是兩兆瓦，兩兆瓦現在都是什么樣的發展呢？首先就是從前幾年，兩兆瓦是一個93的風輪直徑，我這里面提的系列也是我們發展的系列，它差不多是每隔5米就是一個臺階，兩兆瓦發展到111是54米，121是59米，我們也有141的葉片用于兩兆瓦，應該會在明年的時候大量上市了這樣一個狀態。

　　

　　在這種條件下，我們大葉片設計是什么樣的，我們材料方面仍然沿用了玻纖環氧的體系，這是中國市場上，前面有演講嘉賓提到碳纖維的應用會怎么樣，我們有一個分析。第二個就是結構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，其他的機組部件也是放大放大再放大，第三個是安全余量逐步降低，一個標志性就是極限應變是越來越大的，這個其實大家做技術都感同身受。第四個在我們測試驗證方面，我們依然是采用了四個方向靜力加上兩個方向疲勞區域去做，下面是如何打破這個現狀。

　　

　　講到結構設計，我們需要達成一個什么樣的設計目標呢？前面馬總講了，要低的度電成本，實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，從客戶需求方面來的，客戶要什么樣的產品，要什么樣的葉片，第一個就是高質量，第二個快交付，第三個是低成本，當然低成本是客戶最看重的，質量是底線，特別是兩海戰略下面這個更是企業的生命線。交付上，大家都知道中國風電市場切換很頻繁，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，這也是一個很重要的指標。

　　

　　另外就是說基于這三個重要的指標，其實我們衍生出來對于大家都比較關心的，第一個我要比較輕的重量，大家關注于成本的時候通常都不會說我要一個多少錢的大葉片，我要一個12噸以下的，我要一個10噸以下的大葉片。第二個就是說需要多樣化的，因為每一家都希望自己的產品是最優化的，還有一個就是基于快交付和低成本，大家都希望測試的時間那么長，能不能少一些測試呢？這個就是我們結構設計需要達成的目標，需要滿足這些目標才能稱得上是比較好的結構設計。

　　

　　但是要滿足這個設計目標我們存在著很多的挑戰，這個挑戰來自于哪里呢？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，什么樣的葉片是大葉片，其實在這個里面，在整個領域里面沒有一個人去定義我的葉片是不是叫大葉片，那從規范上講，大于45米的葉片叫大葉片，但是現在看大家不愿意這樣叫了。我從物理上講大葉片是什么大，長度大，面積大，還有體積大，我覺得還是比較貼切的。我也統計了一些數據，給出了一些指標。第一個就是說長度大于60米的叫大葉片，第二個最大的弦長大于4米，投影面積大于130個平方，體積大于120個立方，或者凈體積大于7個立方，這樣造成我的葉片很難制造，很難運輸，很難獲得很高的質量，很難把重量減下來，很難去做一些更少的驗證，很難進行各種各樣的變種，所以在這個條件下，我們的挑戰來自于四個方面。

　　

　　第一個成型的占模周期時間長，上午我也和同行做了交流，說我們現在一個模具兩天才能出一只葉片，正是因為葉片長度的增加，它的整個體積增加，導致了我們整個物料的投放會增加，會導致占模的時間會更長。第二個挑戰是什么呢，我一次成型的質量比較低，因為葉片比較大以后，我們都知道葉片是真空灌注一體成型的，這樣灌注出來或多或少有一些地方，比如說有一些地方因為尺寸的變化比較大，或者怎么樣會有一些褶皺的產生，我也稍微呼吁一下，葉片一次成型出來有一些缺陷，它是很正常的行為，因為葉片是復合材料，它非常重要的優勢就是可修復性，修復完了強度和剛度是非常非常高的。我們需要努力提升質量，但是我們也需要去正確地看待大型復合材料一體化成型本身所涵蓋的一些質量缺陷。第三個就是說成本高，這個不多解釋，大家都知道大葉片越賣越貴，第四個就是安全余度越來越低，基于這四個挑戰，我們設計為制造，第二個就是設計為質量，第三個設計為成本，第四個設計為全生命周期，這是我們整個設計理念。基于這些目標和挑戰我們去看，我們怎么樣做大型結構的葉片設計和未來是在哪里呢？

　　

　　講到怎么樣去做，我其實特別想跟大家分享一個方法論，就是QFD，質量功能展開有四個非常重要階段，第一個將客戶要求通過規劃矩陣轉化為特性，然后得到部件特性，第三個從部件特性得到工藝特性，第四個從工藝特性得到生產特性。我們結構設計主要就做了第二階段的工作，就是將產品的特性轉化為部件特性，并不意味著我們不做后面的所有工作，我們在策劃階段是按照QFD把所有的指標全部量化以后，結構設計主要是負責解決將產品的核心轉化為部件的特性，實現了一個路徑，我給了5個方面，是葉片結構設計的流程或者程序，這個程序不光光是適應于葉片的結構設計也適用于其他的零部件的設計，首先是材料的選擇，第二個是構型的選擇，第三個是剛度設計，第四個是強度分析，第五個測試驗證。

　　

　　具體的就是說，怎么樣從產品的特性變成部件的特性，從產品的特性可以看到左邊這一列就是產品的特性，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？分母就是要發更多的電，我在這里不做發電量高的分解，因為這是一個氣動設計重要指標。這底下就是說，我們從開發成本，材料成本、維修成本、運輸成本、安裝成本，全生命周期下我們進行了一個打分還有重要的產品特性，我們總結下來我這邊列出了四個很重要的設計特征。從產品特征到部件特征，我把相關性也做了分析，具體來講設計趨勢，這5個方面為什么是重要趨勢，第一個材料，材料核心指標就是說需要單位成本比剛度和比強度，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。未來的趨勢就是更高的模量的玻纖以及其他的。

　　

　　樹脂這一塊也是，我們關注的是拉伸強度指標，未來趨勢可能會有高韌性的環氧體系，還有聚氨指數值，還有一些快速固化體系還有一些其他的。

　　

　　芯材要看比模量，這個要看性能，比如說纖維增強的芯材可以替代輕木，包括可回收。

　　

　　梁結構更多是獨立主梁結構將梁和疲的功能分離化，我把它總結為多梁弱疲型，葉片越來越大了，越來越寬了，我們增加了很多的腹板，這個時候做結構設計，設計為制造，舍己為質量的時候，設計為成本的時候，我們需要考慮盡可能減少，而不是越來越增加，這是對設計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，其他的就是個性化。還有多目標參數優化算法，另外還有一個對于剛度設計很重要的就是由纖維去提供的，纖維提供最重要就是優化纖維的角度，但是目前我們所用的玻纖都是市面上很規定的規格，三軸織物逐漸退出。

　　

　　在剛度設計上另外一個就是考慮到載荷互動的情況，關于強度方面，做強度不是說單純就是去滿足安全，我這個東西算完了以后安全系數大于1，最重要的要做到的一點是精準不是安全，只有精準才知道安全的邊界，第一目標就是精準，所以我們認為未來趨勢是精細化的有限元是3D的準則會更多來應用到更多校核上，這也是葉片很多粘接開裂，這個時候對于未來來講，我們需要用全局模型和子模型進行粘接膠的開裂分析。測試驗證就是多層級的，就是會增加咱們部件測試和子結構測試，這是為了減少驗證周期，減少驗證成本，同時更精確了解葉片結構響應最佳的方法。

　　

　　最后做一個總結，其實剛才講了那么多，我覺得結構設計，未來的趨勢是需要高性能低成本的材料，需要模塊化和通用化的結構形式，需要參數化和差異化的剛度設計，以及精準化和精細化的強度校核，和層級化系統化的測試驗證。