垂直軸潮流能水輪機葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化及疲勞分析.pdf

1、本文的主要目標(biāo)是研究垂直軸潮流能水輪機葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題，分析過程中主要使用了基于模態(tài)分析和流固耦合的數(shù)值計算方法，對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的研究基于Miner線性累計損傷理論。數(shù)值計算的實現(xiàn)使用了ANSYS商業(yè)軟件，模態(tài)分析使用了基于有限元方法的ANSYS Mechanical，流固耦合計算使用了有限元和有限體積耦合求解器CFX和ANSYS Mechanical。引發(fā)垂直軸潮流能水輪機葉片結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因是葉片內(nèi)部的疲勞裂紋，疲勞裂紋

2、產(chǎn)生的原因主要有外荷載引發(fā)的結(jié)構(gòu)共振及循環(huán)載荷長期作用導(dǎo)致的材料缺陷開裂兩種。
　　結(jié)構(gòu)共振失效問題可以在葉片設(shè)計過程中通過模態(tài)分析方法來解決，通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計使結(jié)構(gòu)自振頻率避開目標(biāo)環(huán)境載荷頻率。本文使用ANSYS軟件中的Modal模塊求解，實現(xiàn)了葉片和水輪機的干模態(tài)分析，考慮了葉片結(jié)構(gòu)變化和水輪機旋轉(zhuǎn)對其振動特性的影響，還使用流固耦合方法實現(xiàn)了葉片的濕模態(tài)分析，研究了葉片周圍水體對葉片振動特性的影響。
　　本文研究了

3、循環(huán)載荷長期作用下的葉片疲勞失效問題，確定了水流沖擊下葉片重點部位的應(yīng)力響應(yīng)。本文基于CFX和ANSYS Mechanical實現(xiàn)了葉片和水流的單向和雙向流固耦合，得到了水輪機旋轉(zhuǎn)中葉片的瞬態(tài)應(yīng)力響應(yīng)。為了驗證流固耦合計算的準(zhǔn)確性，本文使用雙向流固耦合方法計算了葉片靜止時升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化規(guī)律，耦合分析結(jié)果和實驗實測值吻合較好，顯示了耦合方法計算的正確性。計算中本文使用了殼單元與實體單元的耦合接觸分析方法，使用殼單元離散葉片蒙皮以