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随着世界性能源危机日益加剧和全球环境污染日益严重,推进新能源与可再生能源的开发利用已是大势所趋。风能作为一种清洁的可再生能源,已成为世界各国的新能源发展的重要方向。叶片作为风力机的关键部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能保证了机组的正常运行,也决定了风机的发电性能和功率。叶片的设计与制造是风力机组的核心技术,不仅要求叶片具有高效的专用翼型,即合理的安装角、升阻比、叶尖速比和叶片扭角分布等,又需通过复合工艺与材料保证其质量轻、结构强度高、抗疲劳等方面的要求。
一方面,由于空气动力的复杂性,叶片外形的精确设计非常困难。传统的水平轴风力机多采用正向设计,即先设计并完善叶片的几何外形结构直到满足相应的气动性能要求。但是正向设计要面临很多问题,比如确定所需的气动特性沿叶展的分布,所需的转子特性不能确定等。采用逆向设计则能克服正向设计的不足,通过三维建模与原始的叶片实体模型进行比对,实现叶片的设计验证,还可以缩短设计周期和降低制造成本。另一方面,叶片的制造工艺也经历了从手糊成型到真空灌注成型、从开模成型到闭模成型的过程。外形简单的小型叶片通常采 用模压成型的方法,但以低成本方式难以制造包含复杂几何形状以及多种材质的叶片,成为叶片制造行业的发展瓶颈。而3D打印技术具有生产周期短、制造材料丰富、可制造复杂形状模型等特点,在工业上得到了广泛应用。因此,本文提出了一种由逆向三维建模、辅助以有限元分析修正、最终3D打印实现的系统性高效制造方法。提出风电叶片3D打印系统性高效制造方法。首先,采用逆向设计完成了叶片三维扫描,获取点云数据与三 维模型;通过有限元方法进行静力与屈曲分析,用以结构尺寸的微调;最终,利用3D打印技术做出了实体样件模型。结果证明所提出的方法可行,且在类似风电叶片这样复杂型面构件的高效集成制造与自动化方面具有重要意义。
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