潮流能机组叶片机械结构设计及有限元分析

摘要

随着社会经济的发展和传统能源的快速消耗，潮流能发电因其能量密度大，规律性强等特点得到了广泛的关注和迅猛的发展。其中，潮流能机组叶片作为将海水动能转化为机械能的核心部件，其运动状况复杂且载荷多变，故而除水动力性能外，叶片工作的稳定性和可靠性是影响潮流能发电产业化和商业化的关键因素。本文以120kW潮流能机组叶片为研究对象，在水动力结构设计完成的基础上，从叶片机械结构初始设计、铺层结构有限元分析、试验验证等方面进行研究，探寻可用于叶片性能可靠性分析的有效方法。
　　第一章阐述了论文的研究背景，介绍了国内外潮流能发电的研究进展进而介绍了复合材料叶片结构的国内外研究现状。提出了论文的主要研究内容，强调了本文的研究意义。
　　第二章说明了基于叶素-动量理论计算潮流能叶片水动力载荷的方法，叶片复合纤维层合板的结构形式以及用于叶片铺层设计的基本原则，最后介绍了可用于复合材料叶片强度分析的相关准则。
　　第三章利用基于BEM的Tidal Bladed计算了水动力载荷叶片各截面的弯矩，并从材料选择，剖面结构，叶根连接方式给出了设计依据。并主要对主梁帽，剪切腹板，叶根加强层材料的铺层厚度进行了数值计算。
　　第四章建立了120kW叶片壳体模型并进一步完成了对其铺层结构的有限元模拟。以此为基础，对叶片进行了挥舞方向极限载荷下的静强度分析，对叶片挠度进行了校核，并用Tsai-Wu失效准则进行了强度校核。此外，进一步做了模态分析，防止叶片因共振产生疲劳破坏。
　　第五章说明了120kW叶片挥舞方向的模态测试及静载荷应变试验。将试验测试值与有限元仿真值进行对比分析，进一步验证了有限元分析方法的正确性。
　　第六章对论文的工作进行总结，并对课题后续的研究内容进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外潮流能发电装备发展现状

1．2．1 国外潮流能发电装备发展现状

1．2．2 国内潮流能发电装备发展现状

1．3 国内外叶片机械结构研究现状

1．4 论文的研究意义与研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

2 潮流能机组叶片结构分析基本理论

2．1 叶素-动量理论

2．2 复合纤维层合板结构形式

2．3 叶片铺层设计基本原则

2．4 叶片复合材料强度分析理论

2．4．1 最大应力和最大应变失效准则

2．4．2 Tsai-Hill强度理论

2．4．3 Tsai-Wu张量理论

本章小结

3 潮流能机组叶片机械结构初始设计

3．1 潮流能机组叶片载荷计算

3．2 叶片材料的选择

3．3 叶片剖面结构选型

3．4 叶片根部的连接方式

3．5 叶片的铺层厚度设计

3．5．1 主梁帽厚度设计

3．5．2 抗剪腹板厚度设计

3．5．3 根部加强层设计

3．5．4 铺层厚度计算结果分析

本章小结

4 复合材料叶片铺层结构有限元分析

4．1 叶片铺层结构有限元模型建立

4．2 叶片静力学仿真及失效分析

4．3 叶片模态分析

本章小结

5 叶片模态测试及静载应变试验

5．1 测试系统的设计与选型

5．1．1 应变片的选型

5．1．2 应变片的定位与粘贴

5．1．3 应变数据采集

5．2 自然频率的测量与结果分析

5．4 挠度及应变测量与结果分析

本章小结

6 总结与展望

6．1 课题总结

6．2 工作展望

参考文献