复合材料潮流能涡轮叶片铺层方式及流固耦合研究

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 PrepPost(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。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2复合材料叶片铺层研究现状

1.3模态分析研究现状

1.4流固耦合研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章 复合材料叶片铺层研究

2.1引言

2.2复合材料铺层力学性质原理

2.3特定铺层方式力学性质研究

2.4层合单元涡轮叶片实体模型

2.5 本章小结

第3章 复合材料叶片结构特性研究

3.1引言

3.2叶片结构特性分析原理

3.3复合材料叶片强度分析

3.4涡轮叶片模态分析

3.5 本章小结

第4章 潮流能叶片单向流固耦合研究

4.1引言

4.2单向流固耦合分析基本理论

4.3叶片水动力计算

4.4单向耦合叶片结构响应及层间校核

4.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢