CWPC2024：三一重能股份有限公司叶片研究院研发项目经理邹文尧发表《风电叶片铺层迭代优化的全过程自动化实现》的演讲

各位专家大家早上好，我今天带来的题目是：风电叶片铺层优化全过程自动化。

我的题目可能和刘总这边有一点重复，我还会介绍具体实践的关键技术。首先，我会把软件做一个解释。再分别介绍一下3个功能，载荷拟合自动化、网格划分自动化、迭代计算自动化。

1、自动化软件展示

（图示）这是载荷拟合的界面程序，这里有一个自动拟合的功能，我们现在载荷的方向比较多，24个方向，点击一下自动拟合就会把所有载荷全部拟合出来，然后加载力会控制的相对比较小。24个方向总共花的时间大概是1分多钟，拟合之后直接输出加载力文件可以直接用。

（图示）这是网格自动化生成界面，在这个页面是设置主梁的定位，区域的范围，还有其他页面要设置网格的密度，后缘粘接胶宽度，然后点击生成网格就开始按顺序，先生成主梁网格，然后是前缘区后缘区，腹板网格，自动切C口或者燕尾，最后生成后缘实体单元。

（图示）叶片铺层前后处理软件，在前处理页面，设置了很多的输入帮助，可以通过点击以及快捷键快速设置铺层参数，在这页面点击更新模型，软件就开始处理铺层参数，把ANSYS模型更新，在链接ANSYS这个页面，主要是设置载荷、选择计算项目提交计算，包括模态、屈曲、极限FF、特征IFF、等效疲劳应变等，在有限元数据页面，可以三D展示计算结果，屈曲结果可以很多阶同时展示，可以方便的查询屈曲敏感位置和屈曲因子的大小。做自动化的一个主要的目的呢，是规范校核的过程，减少一些低级错误的发生，然后能够极大的提升效率，节约时间。我们的目标呢是能够做到一键更新模型，一键开启优化，目前呢已经基本达到了这个目的。后面就分别讲一下这三个软件是怎么实现的。

为什么做这件事情呢？我们知道叶片做有限元计算，它有几个特点，第一个主要的特点就是铺层复杂，叶根的单轴布，双轴布和三轴布的搭配，主梁厚度分布的调整，腹板铺层双轴布和芯材厚度的选择，是双腹板结构还是三腹板结构，还是单腹板结构。第二个特点呢是计算项目多，需要计算纤维失效，纤维间失效，纤维疲劳失效，屈曲失效，很多失效计算需要专门编制程序来做后处理计算。第三个特点就是载荷工况多，以前都是四个方向的载荷，后来到现在用的比较多的是12方向，现在有些厂家包括我们已经开始用24方向，方向越多，计算的结果肯定是越精准，但是计算量就会增大很多。除了满足设计工况之外，试验工况也要考虑，因为现实条件的限制，试验工况的载荷通常风险更高，那我们就要计算钢丝绳拉伸加载下的安全裕度，挥舞和摆振疲劳工况下的应变强度。总结起来就是可控变量多，计算量大。

叶片建模仿真的常规做法，会用到很多不同的软件，第一个就是几何前处理的软件，做主梁定位，腹板建模，边界线划分，然后导入到hypermesh或者workbench，或者ANSA中划分网格，然后使用专业的复合材料插件来做铺层，比如workbench的ACP，abaqus的铺层插件，计算呢就是ansys abaqus nastran。那我们能不能把这些功能都集中到同一套代码里面，当然想取代这些软件基本是不可能的。我在实现自动化的过程中，最主要的2点原则：第一个是利用好python的资源；第二个是不断优化操作体验，自动化程度是没有止境的。

主要包括几个方面的设计：界面设计、数据处理、接口。首先我们要编一个简单的平台，来实现参数的输入和计算结果的输出，然后再增加一些二维显示和三维显示的功能，再增加一些控制其他软件，或者跟其他软件通信的功能。主要用的编程语言是Python。那可能有的人就会有疑问，一个用Python写的软件，如果包含那么多的功能，是不是会运行很慢，容易卡顿？那我这边的实际经验可以给出结论，在完成3万多行的代码之后，现在这个软件运行依然非常流畅。比ACP流畅，比abaqus铺层插件也流畅得多。SSH接口是调用HPC资源来做计算的接口。

2、载荷拟合自动化

现在讲第一个内容，载荷拟合的自动化，我觉得有两个难题需要解决，第一个就是滤波，让数据变化更平滑，我这边使用的是sg滤波方法，效果还是比较好的，然后插值的话是用的分段三次hermite插值。界面程序的编写主要有两部分，第一个是用pyqt5创建功能窗口，我们用qt设计师就可以很方便地创建一个界面程序，把按钮，表格拖入到主页面中就完成了界面设计。当然这个pyqt界面设计要做得好用，还是需要花很多时间去专门学习的。

3、网格划分自动化

首先使用igspy这个插件，读取几何外形导出的igs文件，生成截面坐标点，得到节点的位置，要写一个算法来做计算。然后使用坐标点得网格单元需要的节点，这里我用的是极坐标下角度与弧长的拟合，配合曲线积分长度求解，来精确得到节点的位置。

（图示）这是一个对比，代码生成节点与几何软件CATIA生成节点的一个对比，左边可以看到代码生成的主梁点的边界上的点，都在几何软件画的线上，非常一致。右侧是一个辅梁定位点的对比，x坐标的差异只有0.007mm，y坐标的差异只有0.019mm，可以说这个偏差是非常小了。得到了后缘截面节点的分布之后，可以很方便的生成实体垫块单元，这里只需要简单的向量运算，长度切分，就可以实现，在上下表面，我预留了8mm厚的单元，用于模拟垫块下的粘接胶。

（图示）这是生成网格的结果，这个软件可以在5分钟之内自动更新一次，支持区域单元集合、边界线节点集合的自动创建，这是为了方便后面的自动铺层定位。

4、迭代计算自动化

这边我们要用到的一个关键技术就是做弦向定位，我们设计的算法是这样，从边界线节点往一侧，一个单元一个单元的求解距离，得到每个单元距离边界线的近似弧长距离，只要网格足够精细，这个弧长和几何曲线的弧长是非常接近的。我们对比过2.7米弦向宽度，它的宽差只有2毫米，这个偏差也是非常小的。右侧是一个弦向距离云图。这个算法解决之后，我们可以输入库存参数，自动寻找库存所需要的单元。

第二个关键技术是铺层转化为截面，ANSYS和ABAQUS都是基于单元的截面属性计算，铺层向截面属性的转换可以借助矩阵变换完成。包含单元标记为1，否则标记0，10秒钟就可以转换完成，效率非常快。

模型的精度也要有保证，这里介绍一下芯材厚度的自动修正，也就是倒角，实际生产中，弦向的主梁边，展向的不同厚度芯材之间都会有倒角，让厚度过渡更加光顺，计算模型虽然做不到实体生产那么精细，但是近似得做一些倒角厚度的调整还是比较容易的。这里只需要考虑单元距离边界线的长度，芯材的厚度差，把厚度差加上去或减去就可以了。图中可以看到，做完倒角之后的模型，其材料分布是更接近生产实际情况的。而在我们分析的个别案例中，也发现了倒角后的计算结果与试验结果更为一致。

在有限元计算中，以ANSYS为例，可以编制固定的命令流代码用于计算，然后在python环境中，可以使用ansys官方开发的扩展包实现python对ansys的后台控制，使用.inupt执行命令流完成结构计算。另一种方式是在python中直接执行ansys的python代码，比如上图，命令的用法没有太大差异。

模型的数据我们导出来之后可以简单做一个变换，3D显示方面，这里用的是VTK，当然也有其他的插件可以使用，比如openGL。这里要按照VTK的数据格式要求，输入节点和单元数据，为了便于观察，我们可以把部分部件的坐标做一些变换，就得到了同一个平面上，SS壳体、PS壳体和腹板同时显示的效果。计算项设定阈值评估保守区域和危险区域，将零散的单元还原为铺层参数，继续优化计算。这个过程类似于金融结构的拓扑优化，哪里材料不足就补哪里，哪里材料多就去掉。里面也可以加一些设置，不能减少的补充之类的。这样全套软件就实现不依赖大型的几何处理软件，也不依赖网格化软件，铺层处理我们可以自己做。未来还有一些值得做的开发方向，比如：网格自适应调整，符合铺层弦向10mm级容差。统计铺层数据，引入AI大模型，尝试更多的设计路线。使用第三方有限元工具，自定义计算单元。批量子模型方法，快速优化局部铺层。

主要就是这些，谢谢大家！