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自2010年以來，世界見證了可再生能源的加速部署，其增長速度已超過全球每年新增的常規電力容量。按國家能源局的解讀，至“十四五”末，可再生能源在全社會用電量增量中的比重將達到2/3左右。
作為可再生能源的主力，風電將迎來新的“機遇”之戰。隨著風機單機容量逐漸增大，葉片尺寸呈大型化趨勢，葉片設計面臨的考驗包括：
◎ 如何優化葉片設計質量，包括“減重”，“結構優化”，“可靠性分析”及“提升設計質量”？
◎ 如何加速葉片設計效率，利用工具進行葉片自動建模，整合其他葉片設計專業工具、建設葉片設計知識工程體系？
◎ 如何構建完整的葉片設計制造體系，實現葉片“設計 -> 仿真 -> 制造”體系的一體化與數字化？
圖1 傳統的葉片開發流程
較大的風機葉片不僅可以在發電量上有所突破，還可以促進用于大型葉片開發的結構設計、材料、生產工藝等技術的進步。然而，葉片加長會帶來新的挑戰，如何制造出強度高且重量輕的葉片，成為葉片企業考慮到話題。
傳統葉片設計面臨的問題包括：
數據間未實現關聯，手動轉換存在重復勞動和一致性風險；
葉片曲面修型光順能力可進步提升；
基于3D的協同設計薄弱，無3D鋪層模型，設計-仿真-工藝的數據轉換工作量大（2D導向）；
3D CFD 缺失，難以實現氣動噪聲+ 長葉片的非線性+局部校核 + 應變分析；
難以實現葉片的多目標優化；
缺乏工藝可行性驗證手段，作業指導書手工編制，耗時，準確性差；
缺乏有效的調裝/工裝仿真驗證手段；
葉片開發技術涵蓋設計、工藝、制造、檢測等環節。主要的目標包括：
設計端：追求更高的AEP，更低的LCOE，結構輕量化和可靠的雷電保護系統；
工藝端：追求設計無縫銜接、工藝無紙化、制造過程可仿真、關鍵節點可驗證；
制造端：追求高精度、高效率、低成本及智能化的制造系統；
檢測端：追求全面化、無紙化、可視化、虛擬化、自動化的無人檢測系統。
開發技術最前端翼型開發，在最開始的時候應該要考慮到結構和工藝，在相同負荷水平下，AEP達到最高，同時度電成本最低，最大限度減少在污染條件下性能的下降及追求更高的可制造性。
葉片數字化設計實現：
設計快速生成，建模方法與坐標系，避免錯層；
后緣梁的模擬分析，進行一層一層的分析；
鋪層完后某個截面分開厚度分析；厚度錯層檢查，干涉檢查；
鋪層設計與工藝的銜接，鋪層支撐、模擬校核；
鋪層的校核分析，能否滿足校核標準。
圖2 葉片復材設計
降低葉片重量的方法之一是在復合材料鋪層中采用更多的碳纖維，但這樣會導致材料成本大幅增加。
另一種更可行的方法就是改進芯材性能、樹脂體系以及蒙皮和芯材的粘結效果。這樣可以降低葉片重量、延長葉片壽命，同時還可以縮短生產周期，降低成本。
在葉片3D設計、鋪層定義，以及進行梁3D設計的同時，可以進行葉片重量、重心、質心的計算與檢測。
圖3 葉片協同設計與重量檢測
葉片減重與監控實現：
3D概念模型作為基本體重和COG信息的載體；
通過全三維的葉片設計，實時自動計算重量、重心和慣性矩陣；
建立，測量和分析重量與平衡指標，以有效地推動概念設計；
監視和控制概念設計重量與平衡信息的成熟度；
有效地管理和優化概念設計的重量，并確保符合法規需求。
基于統一平臺，能夠實現葉片復材設計仿真的一體化，以提高仿真速度與迭代效率。設計仿真一體化包括：
以設計得到的葉片結構和鋪層數據為基礎，在CAE中進行有限元模型的前處理；
對結構區域進行必要的劃分，以實現載荷的施加和網格的劃分；
根據截面的載荷數據，施加在葉片相應截面上，載荷的耦合區域應合理體現風載的分布情況；
對葉片進行模態求解，提取頻率和模態；
利用一體化平臺進行仿真數據的查看等。
圖4 深度融合的多尺度葉片結構分析
此外，可以基于不同的風場工況，對風電機組葉片氣動噪聲產生的機理與分布特性進行研究分析，以得到葉片的降噪
葉片數字化工藝是借助葉片3D模型，進行鋪層作業工藝編制、優化，以減少葉片工藝編制難度與制造錯誤：
通過葉片鋪層工藝規劃與3D仿真，減少產品和設備的原型樣車數量；
最大化空間和設備利用率，提高工廠產能和安全性；
按照目標運轉時間定義、規劃、優化裝配生產線；
在計劃階段的早期就已經確定葉片鋪層的可行性；
更好的作業指導書質量，支持復雜產品和過程方案的工作說明。
在數字化設計與工藝的基礎上，可以構建葉片虛擬工廠，來對葉片制造過程進行有效的鋪層仿真與驗證，降低鋪層操作錯誤，提高鋪層效率：
通過虛擬3D仿真驗證制造工藝計劃
在有或沒有資源上下文和行為的情況下模擬流程計劃
確定最佳的組裝順序和組裝方法
確保在車間進行可靠和安全的生產執行
葉片的開發周期可以簡單分為三個階段，即設計階段、制造階段和測試階段，通常要40-80周。每一個階段之間很多工作都可以同時進行，比如設計階段和制造階段有很多時間可重疊，葉片外形確定后可以做結構設計和模具開發。結構設計的同時做工藝設計，開展工藝實驗，材料認證、設備認證等等，從而大大縮短開發周期。
如何建立起能夠串聯設計、制造、檢測的閉環系統，即根據設計輸入，結合生產工藝、制造精度和經驗參數進行建模，運用數據分析、機器學習、人工智能和光學系統實現各個環節的互聯，將大大提高葉片研發效率。
圖5 葉片復材數字化協同設計系統
基于3D體驗平臺的數字化協同能力建設還包括：
所有工作都是在數字環境中進行的；
所有數據均由數據管理系統控制；
數字平臺鏈接在一起形成強大的數字線程
◇ 需求與D-FMEA管理；
◇ 葉片表面光順；
◇ 有限元分析；
◇ 材料庫管理；
◇ 3D和2D模型并存；
◇ 鋪層定義、鋪層手冊、芯材設計；
◇ D-BOM、M-BOM定義；
◇ 葉片制造工藝、激光照排文件設計；
◇ 控制計劃和控制圖管理；
◇ 流程圖、P-FMEA和工作指導書管理；
◇ 葉片工藝與工廠仿真；
基于數字主線實現葉片研制端到端的數字線協同將實現：
以產品生命周期管理作為骨架主線；
基于單一數據源，實現實時的設計變更影響分析；
將不同軟件供應商的工具軟件整合到一個平臺上流暢運轉；
打通葉片研制上下游，實現基于數據驅動的研制管理。
圖6 3D體驗平臺賦能風電葉片端到端數字化轉型方案
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