用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统及仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统及仿真方法，系统包括：流场构型与网格剖分单元，用于接收并存储输入的流场构型初始设置参数；工艺参数设置单元，用于接收并存储输入的真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数；材料特性数据库单元，用于存储流场中各材料数据；真空辅助树脂灌注工艺模拟单元，用于计算风电叶片模具的质量参数；制件质量预测与缺陷控制单元，用于根据计算参数判断流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷是否符合制件初始设置设计要求，若否，则对流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各项数据进行优化调整。本发明专利技术的系统及方法能够得出生产风电叶片模具的优化参数。

Simulation System and Method for Simulating Manufacturing Process of Wind Power Blade Die

The invention relates to a simulation system and a simulation method for simulating the manufacturing process of a wind turbine blade die. The system includes: a flow field configuration and meshing unit for receiving and storing the initial setting parameters of the input flow field configuration; a process parameter setting unit for receiving and storing the initial setting parameters of the input vacuum assisted resin pouring process; and a material characteristics database unit for receiving and storing the initial setting parameters of the input vacuum assisted resin pouring process. Storage of material data in the flow field; Vacuum-assisted resin pouring process simulation unit for calculating the quality parameters of wind turbine blade dies; Workpiece quality prediction and defect control unit for judging whether the flow front, dry spot and gas enrichment defects of resin in the flow field meet the design requirements of the initial design of the parts, and if not, the initial configuration of the flow field. The parameters, initial setting parameters of vacuum assisted resin pouring process and various data in flow field were optimized and adjusted. The system and method of the invention can obtain the optimized parameters of the mould for producing wind turbine blades.

【技术实现步骤摘要】
用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统及仿真方法
本专利技术涉及复合材料真空辅助树脂灌注工艺
，尤其涉及用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统及仿真方法。
技术介绍
先进树脂基复合材料自上世纪60年代中期问世以来以其独有的特性广泛应用于航空、航天、航海等高科技领域以及民用工业，已成为现代工业领域最重要的、不可或缺的材料之一。随着它的进一步发展，提高其性能/成本比的需求也越来越迫切，特别是对于风电叶片及其复合材料材质的模具这类的民用复合材料制件，降低制造成本的重要性远高于宇航级复合材料。因此，高性能复合材料的低成本制造技术已成为目前复合材料研究领域中令人瞩目的新发展动向。复合材料低成本技术的关键是工艺，而预成形体复合材料液体成型工艺技术(LCM)是先进树脂基复合材料低成本制造技术的一个重要方面，被认为是综合性能最优且有可能摆脱复合材料高成本的工艺方法，如树脂传递模塑(RTM)工艺、真空辅助树脂灌注工艺等已获得成功应用。复合材料风电叶片是风力发电机组中能量转化的关键部件，其设计制造的好坏直接关系到风力发电机的效率和使用寿命，影响着整个系统的性能。叶片成型质量的好坏又取决于模具质量的好坏，高精度的模具设计与制造技术是叶片气动外形的重要保证，对产品的生产效率、最终质量和性能起着决定性作用。复合材料风电叶片及其制造过程中使用的复合材料材质的模具制造的主流工艺为真空辅助树脂灌注工艺。真空辅助树脂灌注工艺，又称真空树脂导入工艺，是一种低成本复合材料成型技术，它是在真空作用下排除纤维预成形体中的气体，并实现树脂充模和对纤维的浸渍。固化得到的风电叶片模具具有质量稳定性好、生产效率高、性能优异等特点。真空辅助树脂灌注工艺的树脂充模流动控制是保证产品质量的关键，若温度、树脂粘度、材料的结构及铺层方式、真空度、抽气口和进胶口位置与数量等条件控制不佳，容易出现干斑、空隙等质量缺陷。尤其对于大型且结构复杂的产品制件，一旦在树脂灌注中失败，产品易整体报废，因此，真空辅助树脂灌注工艺的优化极为重要。在实际生产过程中，导入体系中的树脂难以实现完全不含夹杂气体，而夹杂气体在流场中并不会随着树脂均匀地运动，通过大量的实验进行工艺的优化与缺陷的控制会耗费大量的人力与物力，会对生产成本造成巨大的影响，因此通过计算机仿真技术进行夹杂气体的流动与富集情况的预测，并在此基础上实现工艺的优化与气孔缺陷的控制，对提高产品的质量降低生产成本至关重要。因此，需要提供一种用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统及仿真方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统及仿真方法，该系统及方法以VOF(VolumeofFluid)多相流方法为基础，采用有限元方法或有限体积法，模拟大型风电叶片模具在真空灌注工艺中，预成型体及工艺辅助材料内树脂\夹杂气体\残余空气三相混合流体的运动规律，获得浸渍后复合材料内部气体富集情况和树脂浸渍程度，并在此基础上指导工艺参数的合理制定，从而实现气孔缺陷的控制，为大型复杂风电叶片模具真空灌注工艺工业化生产提供基础。根据本专利技术的一方面，提供了一种用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，包括：风电叶片模具构建模块，用于根据风电叶片模具构建参数构建风电叶片模具；制件质量预测与缺陷控制模块，用于解构制好的风电叶片模具，遍历该风电叶片模具的各节点和/或单元，提取各节点和/或单元中存储的风电叶片模具的质量参数，并根据该质量参数判断流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷是否符合制件初始设置设计要求；若是，则输出风电叶片模具构建参数用于工业生产；若否，则重建风电叶片模具。进一步地，风电叶片模具构建模块包括流场构型与网格剖分单元、工艺参数设置单元、材料特性数据库单元和真空辅助树脂灌注工艺模拟单元，流场构型与网格剖分单元，用于接收并存储输入的流场构型初始设置参数，根据流场构型初始设置参数对流场进行三维建模，并对获得的流场的三维模型进行网格剖分处理，获取带有节点与网格的流场模型，并保存为数据文件，该数据文件供下一次模拟所需参数的提取，且供真空辅助树脂灌注工艺模拟单元调用；工艺参数设置单元，用于接收并存储输入的真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数，供真空辅助树脂灌注工艺模拟单元调用；材料特性数据库单元，用于存储流场中各材料数据，供真空辅助树脂灌注工艺模拟单元调用；真空辅助树脂灌注工艺模拟单元，用于调取并利用流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各材料数据计算风电叶片模具的质量参数，并发送至制件质量预测与缺陷控制模块；制件质量预测与缺陷控制模块，用于根据风电叶片模具的质量参数判断流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷是否符合制件初始设置设计要求；若是，则将流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各材料数据输出，用于工业生产；若否，则对流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各相数据进行优化调整，发送回真空辅助树脂灌注工艺模拟单元重新计算风电叶片模具的质量参数，直至流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷符合制件初始设置设计要求，得到优化的流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各相数据，为大型复杂风电叶片模具真空灌注工艺工业化生产提供基础。进一步地，流场构型初始设置参数包括真空辅助树脂灌注工艺中的制件形状、制件大小、制件厚度、导流网厚度、导流板结构与位置、脱模布结构与位置、预成型体铺层结构、导流管结构与位置。进一步地，真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数包括流场中混合流体的流动方式、真空压力、环境温度、环境大气压力，其中，混合流体为树脂相、夹杂气体相、残余空气相的混合相。进一步地，流场中各材料数据包括树脂种类、树脂密度、树脂流变特性、夹杂气体类型、夹杂气体密度、夹杂气体流变特性、模腔残余空气密度、模腔残余空气流变特性、纤维种类、预成型体渗透率特性、导流网渗透率特性。进一步地，风电叶片模具的质量参数包括流场中的压力场、速度场、密度场、树脂的体积分数场、夹杂气体的体积分数场、残余空气的体积分数场。进一步地，真空辅助树脂灌注工艺模拟单元还用于存储风电叶片模具的质量参数计算模型，用于计算风电叶片模具的质量参数，该风电叶片模具的质量参数计算模型包括密度关系式、动量关系式、能量关系式、体积分数关系式、隐式时间格式体积分数离散关系式和显式时间格式体积分数离散关系式，该密度关系式为：ρ＝αlρl+αgρg+αaρa，其中，ρ为流场密度，αl为树脂的体积分数，ρl为树脂的密度，αg为夹杂气体的体积分数，ρg为夹杂气体的密度，αa为残余空气的体积分数，ρa为残余空气的密度；该动量关系式为：其中，ρ为流场密度，为混合流体的速度矢量，为流场中真空度，μ为混合流体的粘度，p为流场压力，为重力加速度，为混合流体的表面张力的等价体积形式，t为灌注时间；该能量关系式为：其中，ρ为流场密度，E为混合流体的能量，为混合流体的速度矢量，t为灌注时间，keff为混合流体与热源相间的有效导热系数，为混合流体与热源相的温差，Sh为热源相。该体积分数关系式为：其中，ρq为q相下的密度，αq为q相下的体积分数，t为灌注时间，为q相下的速度矢量，Sαq为源相，为q相向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，包括：风电叶片模具构建模块，用于根据风电叶片模具构建参数构建风电叶片模具；制件质量预测与缺陷控制模块，用于解构制好的风电叶片模具，遍历该风电叶片模具的各节点和/或单元，提取各节点和/或单元中存储的风电叶片模具的质量参数，并根据该质量参数判断流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷是否符合制件初始设置设计要求；若是，则输出风电叶片模具构建参数用于工业生产；若否，则重建风电叶片模具。

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，包括：风电叶片模具构建模块，用于根据风电叶片模具构建参数构建风电叶片模具；制件质量预测与缺陷控制模块，用于解构制好的风电叶片模具，遍历该风电叶片模具的各节点和/或单元，提取各节点和/或单元中存储的风电叶片模具的质量参数，并根据该质量参数判断流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷是否符合制件初始设置设计要求；若是，则输出风电叶片模具构建参数用于工业生产；若否，则重建风电叶片模具。2.根据权利要求1所述的用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，风电叶片模具构建模块包括流场构型与网格剖分单元、工艺参数设置单元、材料特性数据库单元和真空辅助树脂灌注工艺模拟单元，流场构型与网格剖分单元，用于接收并存储输入的流场构型初始设置参数，根据流场构型初始设置参数对流场进行三维建模，并对获得的流场的三维模型进行网格剖分处理，获取带有节点与网格的流场模型，并保存为数据文件，该数据文件供下一次模拟所需参数的提取，且供真空辅助树脂灌注工艺模拟单元调用；工艺参数设置单元，用于接收并存储输入的真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数，供真空辅助树脂灌注工艺模拟单元调用；材料特性数据库单元，用于存储流场中各材料数据，供真空辅助树脂灌注工艺模拟单元调用；真空辅助树脂灌注工艺模拟单元，用于调取并利用流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各材料数据计算风电叶片模具的质量参数，并发送至制件质量预测与缺陷控制模块；制件质量预测与缺陷控制模块，用于根据风电叶片模具的质量参数判断流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷是否符合制件初始设置设计要求；若是，则将流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各材料数据输出，用于工业生产；若否，则对流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各相数据进行优化调整，发送回真空辅助树脂灌注工艺模拟单元重新计算风电叶片模具的质量参数，直至流场中树脂的流动前锋、干斑缺陷和气体富集缺陷符合制件初始设置设计要求，得到优化的流场构型初始设置参数、真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数和流场中各相数据，为大型复杂风电叶片模具真空灌注工艺工业化生产提供基础。3.根据权利要求2所述的用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，流场构型初始设置参数包括真空辅助树脂灌注工艺中的制件形状、制件大小、制件厚度、导流网厚度、导流板结构与位置、脱模布结构与位置、预成型体铺层结构、导流管结构与位置。4.根据权利要求3所述的用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，真空辅助树脂灌注工艺初始设置参数包括流场中混合流体的流动方式、真空压力、环境温度、环境大气压力，其中，混合流体为树脂相、夹杂气体相、残余空气相的混合相。5.根据权利要求4所述的用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，流场中各材料数据包括树脂种类、树脂密度、树脂流变特性、夹杂气体类型、夹杂气体密度、夹杂气体流变特性、模腔残余空气密度、模腔残余空气流变特性、纤维种类、预成型体渗透率特性、导流网渗透率特性。6.根据权利要求5所述的用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，风电叶片模具的质量参数包括流场中的压力场、速度场、密度场、树脂的体积分数场、夹杂气体的体积分数场、残余空气的体积分数场。7.根据权利要求6所述的用于模拟风电叶片模具制造工艺的仿真系统，其特征在于，真空辅助树脂灌注工艺模拟单元还用于存储风电叶片模具的质量参数计算模型，用于计算风电叶片模具的质量参数，该风电叶片模具的质量参数计算模型包括密度关系式、动量关系式、能量关系式、体积分数关系式、隐式时间格式体积分数离散关系式和显式时间格式体积分数离散关系式，该密度关系式为：ρ＝αlρl+αgρg+αaρa，其中，ρ为流场密度，αl为树脂的体积分数，ρl为树脂的密度，αg为夹杂气体的体积分数，ρg为夹杂气体的密度，αa为残余空气的体积分数，ρa为残余空气的密度；该动量关系式为：其中，ρ为流场密度，为混合流体的速度矢量，为流场中真空度，μ为混合流体的粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：李义全，李敏，黄尚洪，刘晓彬，周钰博，王绍凯，顾轶卓，
申请(专利权)人：北京玻钢院复合材料有限公司，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11