潮流能水轮机叶片结构有限元分析及选型研究

摘要

潮流能作为一种新型可再生能源，因其具有诸多优点受到了世界众多国家的青睐。叶片是潮流能发电装置的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着水轮机的工作效率。其中，良好的水动性能是叶片获得较高能量利用率的前提，良好的结构性能是叶片安全运行的保证。本文是在已给定的叶片翼型的基础上对100kW潮流能叶片结构进行的设计选型研究。希望叶片以较小的质量满足强度、刚度、稳定性等要求，并能抵抗强潮流的袭击。
　　本文首先系统地回顾了国内外潮流能发展现状，在归纳潮流能水轮机叶片和参考风力机叶片结构的基础上，提出了100kW级水平轴潮流能水轮机叶片的3种结构形式，即，全金属叶片、全复合材料叶片、金属框架+复合材料蒙皮叶片。考虑到不同材料特性，又设计了不同的内部框架结构形式，包括骨架式全金属叶片、腹板式和箱型梁式全复合材料叶片、腹板骨架式、工字梁骨架式、箱型梁骨架式的金属框架+复合材料蒙皮叶片。为使材料充分发挥作用，在结构设计中提出了沿叶片展向进行分区、变厚度梯度设计概念。应用有限元软件ANSYS Workbench对以上叶片的不同结构形式进行了计算，对比分析了各种参数对结构力学性能的影响，最终比选出箱型梁骨架式的金属框架+复合材料蒙皮叶片结构形式更为安全、合理。为避免叶片发生共振并保证叶片局部及整体的稳定性，对选型叶片进行了动力特性分析。模态分析表明：叶片在低频率下的振型主要为挥舞和摆振，且其固有频率避开了叶片工作时的激励频率，叶片不会发生共振破坏。屈曲分析表明：叶片所受载荷小于叶片的临界载荷，叶片不会发生屈曲失稳。该选型叶片的结构形式和材料布置，有效地减轻了叶片自重并提高了叶片的强度和刚度，可为今后同类叶片的设计提供参考。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 潮流能特点

1.3 潮流能水轮机国内外研究现状

1.4 潮流能水轮机叶片结构形式

1.5 本文的主要工作

第2章 叶片结构设计的理论基础

2.1 引言

2.2 叶片结构设计说明

2.3 复合材料层压板的强度理论。

2.4 本章小结

第3章 全金属叶片结构设计及计算分析

3.1 引言

3.2ANSYS Workbench软件简介

3.3 潮流能水轮机叶片有限元分析

3.4 潮流能水轮机叶片的计算分析

3.5 本章小结

第4章 复合材料叶片铺层设计与结构分析

4.1 引言

4.2 水轮机叶片复合材料铺层设计

4.3 全复合材料叶片方案计算分析

4.4 本章小结

第5章 混合材料组合叶片的结构设计与分析

5.1 引言

5.2 钢结构框架-复合材料蒙皮叶片的设计与分析

5.3 本章小结

第6章 水轮机叶片模态和稳定性分析

6.1 引言

6.2 水轮机叶片的模态分析

6.3 水轮机叶片的屈曲分析

6.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢