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風(fēng)機葉片RTM工藝模擬分析及其優(yōu)化

2009-03-12 來源:北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 瀏覽數(shù):2895

  復(fù)合材料風(fēng)機葉片是風(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格。因此,葉片的設(shè)計和質(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)機葉片的主要缺點是產(chǎn)品質(zhì)量強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)計好的增強材料預(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)計和制造、增強材料的設(shè)計和鋪放、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)的確定與實施,都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)前通過計算機模擬分析和實驗驗證來確定。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)入計算軟件中進行計算;最后再利用PATRAN軟件對計算所得數(shù)據(jù)進行后處理,并實現(xiàn)流場和壓力場的顯示。通過專業(yè)分析進而對具體工的工藝參數(shù)進行優(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:

【延伸閱讀】

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閱讀上文 >> 小型風(fēng)力發(fā)電機的原理安裝與日常維護
閱讀下文 >> 風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)控制技術(shù)研究

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