各位專家大家早上好，我今天帶來(lái)的題目是：風(fēng)電葉片鋪層優(yōu)化全過(guò)程自動(dòng)化。

我的題目可能和劉總這邊有一點(diǎn)重復(fù)，我還會(huì)介紹具體實(shí)踐的關(guān)鍵技術(shù)。首先，我會(huì)把軟件做一個(gè)解釋。再分別介紹一下3個(gè)功能，載荷擬合自動(dòng)化、網(wǎng)格劃分自動(dòng)化、迭代計(jì)算自動(dòng)化。

1、自動(dòng)化軟件展示

（圖示）這是載荷擬合的界面程序，這里有一個(gè)自動(dòng)擬合的功能，我們現(xiàn)在載荷的方向比較多，24個(gè)方向，點(diǎn)擊一下自動(dòng)擬合就會(huì)把所有載荷全部擬合出來(lái)，然后加載力會(huì)控制的相對(duì)比較小。24個(gè)方向總共花的時(shí)間大概是1分多鐘，擬合之后直接輸出加載力文件可以直接用。

（圖示）這是網(wǎng)格自動(dòng)化生成界面，在這個(gè)頁(yè)面是設(shè)置主梁的定位，區(qū)域的范圍，還有其他頁(yè)面要設(shè)置網(wǎng)格的密度，后緣粘接膠寬度，然后點(diǎn)擊生成網(wǎng)格就開(kāi)始按順序，先生成主梁網(wǎng)格，然后是前緣區(qū)后緣區(qū)，腹板網(wǎng)格，自動(dòng)切C口或者燕尾，最后生成后緣實(shí)體單元。

（圖示）葉片鋪層前后處理軟件，在前處理頁(yè)面，設(shè)置了很多的輸入幫助，可以通過(guò)點(diǎn)擊以及快捷鍵快速設(shè)置鋪層參數(shù)，在這頁(yè)面點(diǎn)擊更新模型，軟件就開(kāi)始處理鋪層參數(shù)，把ANSYS模型更新，在鏈接ANSYS這個(gè)頁(yè)面，主要是設(shè)置載荷、選擇計(jì)算項(xiàng)目提交計(jì)算，包括模態(tài)、屈曲、極限FF、特征IFF、等效疲勞應(yīng)變等，在有限元數(shù)據(jù)頁(yè)面，可以三D展示計(jì)算結(jié)果，屈曲結(jié)果可以很多階同時(shí)展示，可以方便的查詢屈曲敏感位置和屈曲因子的大小。做自動(dòng)化的一個(gè)主要的目的呢，是規(guī)范校核的過(guò)程，減少一些低級(jí)錯(cuò)誤的發(fā)生，然后能夠極大的提升效率，節(jié)約時(shí)間。我們的目標(biāo)呢是能夠做到一鍵更新模型，一鍵開(kāi)啟優(yōu)化，目前呢已經(jīng)基本達(dá)到了這個(gè)目的。后面就分別講一下這三個(gè)軟件是怎么實(shí)現(xiàn)的。

為什么做這件事情呢？我們知道葉片做有限元計(jì)算，它有幾個(gè)特點(diǎn)，第一個(gè)主要的特點(diǎn)就是鋪層復(fù)雜，葉根的單軸布，雙軸布和三軸布的搭配，主梁厚度分布的調(diào)整，腹板鋪層雙軸布和芯材厚度的選擇，是雙腹板結(jié)構(gòu)還是三腹板結(jié)構(gòu)，還是單腹板結(jié)構(gòu)。第二個(gè)特點(diǎn)呢是計(jì)算項(xiàng)目多，需要計(jì)算纖維失效，纖維間失效，纖維疲勞失效，屈曲失效，很多失效計(jì)算需要專門編制程序來(lái)做后處理計(jì)算。第三個(gè)特點(diǎn)就是載荷工況多，以前都是四個(gè)方向的載荷，后來(lái)到現(xiàn)在用的比較多的是12方向，現(xiàn)在有些廠家包括我們已經(jīng)開(kāi)始用24方向，方向越多，計(jì)算的結(jié)果肯定是越精準(zhǔn)，但是計(jì)算量就會(huì)增大很多。除了滿足設(shè)計(jì)工況之外，試驗(yàn)工況也要考慮，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)條件的限制，試驗(yàn)工況的載荷通常風(fēng)險(xiǎn)更高，那我們就要計(jì)算鋼絲繩拉伸加載下的安全裕度，揮舞和擺振疲勞工況下的應(yīng)變強(qiáng)度。總結(jié)起來(lái)就是可控變量多，計(jì)算量大。

葉片建模仿真的常規(guī)做法，會(huì)用到很多不同的軟件，第一個(gè)就是幾何前處理的軟件，做主梁定位，腹板建模，邊界線劃分，然后導(dǎo)入到hypermesh或者workbench，或者ANSA中劃分網(wǎng)格，然后使用專業(yè)的復(fù)合材料插件來(lái)做鋪層，比如workbench的ACP，abaqus的鋪層插件，計(jì)算呢就是ansys abaqus nastran。那我們能不能把這些功能都集中到同一套代碼里面，當(dāng)然想取代這些軟件基本是不可能的。我在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過(guò)程中，最主要的2點(diǎn)原則：第一個(gè)是利用好python的資源；第二個(gè)是不斷優(yōu)化操作體驗(yàn)，自動(dòng)化程度是沒(méi)有止境的。

主要包括幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)：界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、接口。首先我們要編一個(gè)簡(jiǎn)單的平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入和計(jì)算結(jié)果的輸出，然后再增加一些二維顯示和三維顯示的功能，再增加一些控制其他軟件，或者跟其他軟件通信的功能。主要用的編程語(yǔ)言是Python。那可能有的人就會(huì)有疑問(wèn)，一個(gè)用Python寫的軟件，如果包含那么多的功能，是不是會(huì)運(yùn)行很慢，容易卡頓？那我這邊的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以給出結(jié)論，在完成3萬(wàn)多行的代碼之后，現(xiàn)在這個(gè)軟件運(yùn)行依然非常流暢。比ACP流暢，比abaqus鋪層插件也流暢得多。SSH接口是調(diào)用HPC資源來(lái)做計(jì)算的接口。

2、載荷擬合自動(dòng)化

現(xiàn)在講第一個(gè)內(nèi)容，載荷擬合的自動(dòng)化，我覺(jué)得有兩個(gè)難題需要解決，第一個(gè)就是濾波，讓數(shù)據(jù)變化更平滑，我這邊使用的是sg濾波方法，效果還是比較好的，然后插值的話是用的分段三次hermite插值。界面程序的編寫主要有兩部分，第一個(gè)是用pyqt5創(chuàng)建功能窗口，我們用qt設(shè)計(jì)師就可以很方便地創(chuàng)建一個(gè)界面程序，把按鈕，表格拖入到主頁(yè)面中就完成了界面設(shè)計(jì)。當(dāng)然這個(gè)pyqt界面設(shè)計(jì)要做得好用，還是需要花很多時(shí)間去專門學(xué)習(xí)的。

3、網(wǎng)格劃分自動(dòng)化

首先使用igspy這個(gè)插件，讀取幾何外形導(dǎo)出的igs文件，生成截面坐標(biāo)點(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)的位置，要寫一個(gè)算法來(lái)做計(jì)算。然后使用坐標(biāo)點(diǎn)得網(wǎng)格單元需要的節(jié)點(diǎn)，這里我用的是極坐標(biāo)下角度與弧長(zhǎng)的擬合，配合曲線積分長(zhǎng)度求解，來(lái)精確得到節(jié)點(diǎn)的位置。

（圖示）這是一個(gè)對(duì)比，代碼生成節(jié)點(diǎn)與幾何軟件CATIA生成節(jié)點(diǎn)的一個(gè)對(duì)比，左邊可以看到代碼生成的主梁點(diǎn)的邊界上的點(diǎn)，都在幾何軟件畫的線上，非常一致。右側(cè)是一個(gè)輔梁定位點(diǎn)的對(duì)比，x坐標(biāo)的差異只有0.007mm，y坐標(biāo)的差異只有0.019mm，可以說(shuō)這個(gè)偏差是非常小了。得到了后緣截面節(jié)點(diǎn)的分布之后，可以很方便的生成實(shí)體墊塊單元，這里只需要簡(jiǎn)單的向量運(yùn)算，長(zhǎng)度切分，就可以實(shí)現(xiàn)，在上下表面，我預(yù)留了8mm厚的單元，用于模擬墊塊下的粘接膠。

（圖示）這是生成網(wǎng)格的結(jié)果，這個(gè)軟件可以在5分鐘之內(nèi)自動(dòng)更新一次，支持區(qū)域單元集合、邊界線節(jié)點(diǎn)集合的自動(dòng)創(chuàng)建，這是為了方便后面的自動(dòng)鋪層定位。

4、迭代計(jì)算自動(dòng)化

這邊我們要用到的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是做弦向定位，我們?cè)O(shè)計(jì)的算法是這樣，從邊界線節(jié)點(diǎn)往一側(cè)，一個(gè)單元一個(gè)單元的求解距離，得到每個(gè)單元距離邊界線的近似弧長(zhǎng)距離，只要網(wǎng)格足夠精細(xì)，這個(gè)弧長(zhǎng)和幾何曲線的弧長(zhǎng)是非常接近的。我們對(duì)比過(guò)2.7米弦向?qū)挾龋膶挷钪挥?毫米，這個(gè)偏差也是非常小的。右側(cè)是一個(gè)弦向距離云圖。這個(gè)算法解決之后，我們可以輸入庫(kù)存參數(shù)，自動(dòng)尋找?guī)齑嫠枰膯卧?/p>

第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是鋪層轉(zhuǎn)化為截面，ANSYS和ABAQUS都是基于單元的截面屬性計(jì)算，鋪層向截面屬性的轉(zhuǎn)換可以借助矩陣變換完成。包含單元標(biāo)記為1，否則標(biāo)記0，10秒鐘就可以轉(zhuǎn)換完成，效率非常快。

模型的精度也要有保證，這里介紹一下芯材厚度的自動(dòng)修正，也就是倒角，實(shí)際生產(chǎn)中，弦向的主梁邊，展向的不同厚度芯材之間都會(huì)有倒角，讓厚度過(guò)渡更加光順，計(jì)算模型雖然做不到實(shí)體生產(chǎn)那么精細(xì)，但是近似得做一些倒角厚度的調(diào)整還是比較容易的。這里只需要考慮單元距離邊界線的長(zhǎng)度，芯材的厚度差，把厚度差加上去或減去就可以了。圖中可以看到，做完倒角之后的模型，其材料分布是更接近生產(chǎn)實(shí)際情況的。而在我們分析的個(gè)別案例中，也發(fā)現(xiàn)了倒角后的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為一致。

在有限元計(jì)算中，以ANSYS為例，可以編制固定的命令流代碼用于計(jì)算，然后在python環(huán)境中，可以使用ansys官方開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展包實(shí)現(xiàn)python對(duì)ansys的后臺(tái)控制，使用.inupt執(zhí)行命令流完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。另一種方式是在python中直接執(zhí)行ansys的python代碼，比如上圖，命令的用法沒(méi)有太大差異。

模型的數(shù)據(jù)我們導(dǎo)出來(lái)之后可以簡(jiǎn)單做一個(gè)變換，3D顯示方面，這里用的是VTK，當(dāng)然也有其他的插件可以使用，比如openGL。這里要按照VTK的數(shù)據(jù)格式要求，輸入節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)，為了便于觀察，我們可以把部分部件的坐標(biāo)做一些變換，就得到了同一個(gè)平面上，SS殼體、PS殼體和腹板同時(shí)顯示的效果。計(jì)算項(xiàng)設(shè)定閾值評(píng)估保守區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，將零散的單元還原為鋪層參數(shù)，繼續(xù)優(yōu)化計(jì)算。這個(gè)過(guò)程類似于金融結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，哪里材料不足就補(bǔ)哪里，哪里材料多就去掉。里面也可以加一些設(shè)置，不能減少的補(bǔ)充之類的。這樣全套軟件就實(shí)現(xiàn)不依賴大型的幾何處理軟件，也不依賴網(wǎng)格化軟件，鋪層處理我們可以自己做。未來(lái)還有一些值得做的開(kāi)發(fā)方向，比如：網(wǎng)格自適應(yīng)調(diào)整，符合鋪層弦向10mm級(jí)容差。統(tǒng)計(jì)鋪層數(shù)據(jù)，引入AI大模型，嘗試更多的設(shè)計(jì)路線。使用第三方有限元工具，自定義計(jì)算單元。批量子模型方法，快速優(yōu)化局部鋪層。

主要就是這些，謝謝大家！