复合材料潮流能涡轮叶片铺层方式及流固耦合研究

发布时间：2020-06-03 17:01

【摘要】：世界能源发展正面临持续稳定供应、生态环境以及全球气候变化等问题的巨大挑战。海洋能作为储量丰富的绿色清洁、可持续利用的可再生能源,其开发和利用,已经成为科学研究的热点问题。本文针对新型双向潮流能发电装置复合材料涡轮叶片进行理论研究和试验验证。首先,本文基于正交各向异性材料应力-应变关系所确定的复合材料刚度原理,应用Ansys Composite Prep Post(ACP)软件模块对特定铺层层合板刚度性质进行了计算研究,得到了弹性工程常数随铺层角α变化的一般规律,建立了能适用于计算机辅助分析的直径1.5m复合材料涡轮叶片有限元模型。接下来,本文应用有限元结构数值计算方法,利用Ansys Static Structure模块计算分析复合材料叶片结构强度,确定其最大等效应力8.39Mpa,最大变形量11.1mm,判段复合材料叶片在设计载荷下不会发生结构失效或者大变形,并经静力试验验证相同载荷下叶片各半径处变形数据同数值计算吻合良好;利用Ansys Modal模块分析不同铺层方式复合材料叶片前8阶振动模态,分析指出前8阶固有模态大部分为弯曲振动,弯曲振动对复合材料叶片振动的影响较大,各阶固有频率随铺层角α变化呈现不同趋势,但各复合材料叶片一阶固有频率均超过涡轮叶片工作频率0.25Hz,避免了发生共振的可能性。最后,本文在计算流体力学(CFD)方法以及流固耦合理论的基础上,基于Ansys Workbench平台进行从CFX到Static Structure间的数据传递,对不同铺层方式复合材料叶片进行单向流固耦合分析,得到了多种工况下涡轮叶片的淌水系数等水动力性能,比较了最大工况下复合材料叶片与金属叶片的结构响应;并根据复合材料Tsai-Wu准则,校核了复合材料叶片不发生破坏失效,得到了不同铺层方式下叶片Tsai-Wu指标值逐层变化的趋势。
【图文】：

图 1-1 复合材料组成及分类增强复合材料层压结构是复合材料结构力学的主要研究对象下内容：层设计，即确定增强及基体材料及比例以决定单层铺层的性层设计，即安排合理的铺层方式以决定层合板的性能；构设计，即设计产品构件的外形和尺寸[24]。层设计在复合材料结构设计中最为重要，将单层复合材料按一成的薄壳层状结构。层合板是按照某种顺序铺放粘贴多层单向整体的结构板。每层单向板，层合板的纤维方向，纤维与基体差异，因而层合板表现出各向异性或在各处厚度不均匀。1970 年代起，世界各国研究人员针对铺层设计、优化问题开展研究，逐步完善了复合材料铺层在相关行业中的设计规律及工料铺层设计通常从铺层角均衡性、同一铺层方向的层数要求、、分布均匀性以及维持层间角度偏差等方面出发的。在此基础

用有限元计算频率，提出了简化叶片为悬臂梁果；梁明轩[38]基于有限元方法分析了叶片挥效应的影响；2010 年王建礼[39]等优化了叶片iu 借助 Euler-Bemoum 梁模型使用推广的 Gal叶片挥舞－扭转耦合振动频率，讨论了叶片响[40-41]。目前，，模态分析技术的发展已取得线性模态等理论方面研究，但在实际应用过展，如模态分析的精度等。究现状（Fluid Structure Interaction）是研究流体流动生变形反过又作用于流场，使流场流动状态[42]。从控制方程的解法上看，流固耦合问题迭代求解强耦合[43]，如下图 1-2：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P743;P742

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本文编号：2695123