風電FRP產(chǎn)品設計常見缺陷及解決方案分析獲獎科研報告

風電FRP產(chǎn)品設計常見缺陷及解決方案分析獲獎科研報告

摘

要：本文結(jié)合FRP產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性和工藝要求，從細節(jié)上入手介紹了幾類RFP產(chǎn)品的設計缺陷及相應的臨時解決方案，為后續(xù)具有相似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制作提供可行有效的實踐經(jīng)驗，也為此類產(chǎn)品的開發(fā)提供設計依據(jù)。

關鍵詞：FRP產(chǎn)品;成型工藝;設計缺陷;解決方案

FRP廣泛應用于制作風力發(fā)電機的機艙罩、導流罩及各類軸承、電機的護板類零件。此類產(chǎn)品圖紙設計及工藝要求由風電整機廠負責，F(xiàn)RP產(chǎn)品供應商按要求完成模具制作、產(chǎn)品成型及后續(xù)的切割鉆孔、組裝、檢驗和運輸工裝的設計制作。這種運作模式使得在制作階段發(fā)現(xiàn)的亟待解決的設計缺陷難以落地，產(chǎn)品自身的優(yōu)化設計周期長。本文結(jié)合FRP產(chǎn)品的工藝特性總結(jié)了幾類常見設計缺陷，以便后續(xù)具有類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在開發(fā)階段將此類問題充分考慮并解決。

1VARTM工藝產(chǎn)品非膠衣面用作安裝定位面

某FRP軸承護罩，VARTM工藝成型，與其配合的鋼件用其內(nèi)表面作為安裝基準面。制作時圖中R所注位置抽真空過程很容易將已鋪設到位的最外層纖維布吸起，造成R角位置產(chǎn)生4-7mm的褶皺，同時褶皺的產(chǎn)生使得長度為L的自由邊向褶皺產(chǎn)生區(qū)域移動，造成該定位安裝面產(chǎn)生臺階。此外為保證該三面角區(qū)域纖維布鋪層的連續(xù)性，需在該安裝面至少產(chǎn)生一次搭接，搭接造成該區(qū)域?qū)嶋H厚度將超出其圖紙設計尺寸約1mm。以該面安裝定位鋼件會出現(xiàn)下側(cè)兩處M12的螺栓孔錯位。為了解決這一問題我們不得不將該面進行打磨甚至刻意多打磨以保證其配件能安裝到位，但打磨又削弱了產(chǎn)品整體成型后固有的強度和剛度，會進一步導致螺栓緊固過程出現(xiàn)膠衣面開裂的問題?，F(xiàn)在我們通過更改纖維氈鋪層以盡量縮小該區(qū)域成型后的厚度誤差，同時專門設計了一套小反模用于該定位面的成型，保證該區(qū)域脫模后平滑無褶皺。盡管針對該問題采取的一些補救措施，但沒有從問題的根源去尋求方案所以仍不盡完美，如果將FRP產(chǎn)品成型的細節(jié)因素考慮充分，設計時在鋼件與產(chǎn)品之間增加調(diào)整墊，或?qū)⒌撞績商嶮12螺栓通孔改為長圓孔，均可有效避免該問題，且相比FRP產(chǎn)品的優(yōu)化更為簡單、可行。

2應力集中的切割口

某5mm厚的FRP拱形結(jié)構(gòu)零件，該件為冷卻系統(tǒng)后續(xù)安裝件，為了便于與其他部件裝配，在拱形頂部的兩側(cè)各割出4處U形槽，槽寬為44mm，安裝時把主機上與U形槽對應位置先前已經(jīng)緊固的螺栓松開，將該件沿U形槽直接滑入緊固螺栓根部，再將螺栓重新緊固，避免了螺栓的拆卸。該設計僅從便于裝配的角度優(yōu)化產(chǎn)品卻忽視了該U形槽會導致其原有強度的削弱，該拱形結(jié)構(gòu)平放時由于FRP產(chǎn)品本身跨度長中間區(qū)域下垂，長時間彎曲變形導致U形槽位置產(chǎn)品開裂，造成報廢。為了解決這一問題，我們設計了專用的轉(zhuǎn)運支撐工裝，該工裝支撐在產(chǎn)品的頂面上其余位置均為懸空狀態(tài)，保證產(chǎn)品上平面無任何彎曲變形產(chǎn)生，產(chǎn)品切割后直至包裝均在該工裝上流轉(zhuǎn)。包裝時該件為平放狀態(tài)，為了避免打包及運輸過程U形槽位置開裂，包裝前使用15mm膠合板將最下端兩處螺栓孔連接，保證拱形結(jié)構(gòu)的跨度不會有增大的趨勢，直至產(chǎn)品組裝時拆下，整個周期安全可靠。

3曲面上的脫出方向

如圖1所示，件A、件B為某機型FRP導流罩部件，件B通過大頭螺栓安裝在件A的內(nèi)側(cè)，大頭螺栓使用結(jié)構(gòu)膠粘接在件A的膠衣面上。安裝時先將件A與件B的螺栓孔對齊，在任一組對角位置的孔內(nèi)穿入螺栓，將件A和件B臨時緊固，把涂有結(jié)構(gòu)膠的大頭螺栓分別穿入其余位置的各孔，用力將大頭螺栓按壓在件A的膠衣面上，緊固已粘接的一組大頭螺栓，再將臨時緊固的螺栓孔內(nèi)粘上大頭螺栓，所有大頭螺栓粘接后即可將件A和件B安裝在一起。

由于件B兩側(cè)大頭螺栓安裝面的法向V1、V2、V3、V4各不相同，當需要將件B從件A上拆下時發(fā)現(xiàn)沿任意一組矢量脫出時均因其余位置的螺栓通孔與螺紋干涉而卡住，要解決這一問題設計時應將件B左、右兩側(cè)任意一組大頭螺栓軸線的對稱中心線作為脫出方向，然后沿該脫出方向?qū)⒓﨎從件A上移出，移出行程應大于大頭螺栓的螺紋長度，以件B移動前、后與大頭螺栓螺紋軸線的兩處交點為圓心，設計一長圓孔即可實現(xiàn)件B的靈活拆卸。

4產(chǎn)品厚度的不連續(xù)

如圖2所示，某一FRP蓋板，產(chǎn)品壁厚7mm，該件為在用零件的更新?lián)Q代產(chǎn)品，原設計為不銹鋼鈑金件。該產(chǎn)品采用RTM工藝制作，其中A面由正模成型，B面由反模成型，產(chǎn)品下側(cè)法蘭上兩處安裝孔均需锪出沉孔，孔中心距產(chǎn)品臺階處距離10mm，按設計圖紙φ12X90°沉孔制作后不會與臺階位置干涉。但產(chǎn)品制作后多次出現(xiàn)沉孔锪至該臺階位置，實測孔到產(chǎn)品切割邊的距離30mm仍能滿足圖紙要求，最終通過設計專用檢驗樣板分別檢測A、B面的造型，檢測結(jié)果為B面臺階位置與樣板不符，仔細檢查才發(fā)現(xiàn)3D模型上臺階位置壁厚僅為5mm與兩側(cè)的厚度不一致，且此處一直按7mm制作[1]。

該問題源于其原設計為鋼板沖壓工藝制作，沖壓成型過程鋼板的塑性變形導致局部厚度不均勻，而換型后FRP產(chǎn)品各層纖維氈必須連續(xù)鋪設，如果中間斷開則需要搭接鋪設，會出現(xiàn)搭接位置尺寸偏厚更無法作出造型位置厚度偏薄的產(chǎn)品。況且在FRP產(chǎn)品模具制作時反模型腔面是通過在正模型腔面貼上與產(chǎn)品同厚度的蠟片來制作的，也無法作出拐角位置偏薄的模具。所以圖中5mm厚度位置實際制作后仍為7mm，雖然這種狀態(tài)發(fā)貨對使用無任何影響，但與圖紙標注不一致，需花費額外的精力去驗證，設想如果此處臺階位置安裝其余附件，以圖紙狀態(tài)去完成其余配件的設計必然造成裝配干涉，造成嚴重的損失。

5結(jié)論

FRP產(chǎn)品的制作工藝自動化程度地，涉及的環(huán)節(jié)瑣碎，注