【摘 要】
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本文的主要目标是研究垂直轴潮流能水轮机叶片内部结构的疲劳失效问题,分析过程中主要使用了基于模态分析和流固耦合的数值计算方法,对结构疲劳寿命的研究基于Miner线性累计
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本文的主要目标是研究垂直轴潮流能水轮机叶片内部结构的疲劳失效问题,分析过程中主要使用了基于模态分析和流固耦合的数值计算方法,对结构疲劳寿命的研究基于Miner线性累计损伤理论。数值计算的实现使用了ANSYS商业软件,模态分析使用了基于有限元方法的ANSYS Mechanical,流固耦合计算使用了有限元和有限体积耦合求解器CFX和ANSYS Mechanical。引发垂直轴潮流能水轮机叶片结构疲劳失效的原因是叶片内部的疲劳裂纹,疲劳裂纹产生的原因主要有外荷载引发的结构共振及循环载荷长期作用导致的材料缺陷开裂两种。结构共振失效问题可以在叶片设计过程中通过模态分析方法来解决,通过优化内部结构的设计使结构自振频率避开目标环境载荷频率。本文使用ANSYS软件中的Modal模块求解,实现了叶片和水轮机的干模态分析,考虑了叶片结构变化和水轮机旋转对其振动特性的影响,还使用流固耦合方法实现了叶片的湿模态分析,研究了叶片周围水体对叶片振动特性的影响。本文研究了循环载荷长期作用下的叶片疲劳失效问题,确定了水流冲击下叶片重点部位的应力响应。本文基于CFX和ANSYS Mechanical实现了叶片和水流的单向和双向流固耦合,得到了水轮机旋转中叶片的瞬态应力响应。为了验证流固耦合计算的准确性,本文使用双向流固耦合方法计算了叶片静止时升力系数和阻力系数的变化规律,耦合分析结果和实验实测值吻合较好,显示了耦合方法计算的正确性。计算中本文使用了壳单元与实体单元的耦合接触分析方法,使用壳单元离散叶片蒙皮以简化模型加速收敛,使用实体单元离散叶片内部结构以保证计算的精度。得到叶片应力响应后,本文使用过雨流计数法统计了叶片关键部位的应力循环幅值和应力循环次数,基于材料的S-N曲线估计了叶片的使用寿命。
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