潮流能水轮机复合材料叶片损伤特性研究

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1、学校代号１０５３２学号Ｓ１５０２００２０５分类号－ＴＢ１２１密级公开／錄ＨＵＮＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕士学位论文潮流能水轮机复合材料叶片损伤特性研究学位申请人姓名余国庆培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称任毅如副教授肖万伸教授学科专业力学研究方向新能源装备２０１８年４月２０日论文提交日期学校代号：10532学号：S150200205密级：公开湖南大学硕士学位论文潮流能水轮机复合材料叶片损伤特性研究学位申请人姓名：余国庆导师姓名及职称：任毅如副教授肖万伸教授培养单位：机械与运载工程学院专业名称：力学论文提交日期：2

2、018年4月20日论文答辩日期：2018年5月18日答辩委员会主席：程军圣教授ResearchonthedamagecharacteristicsoftidalcurrentturbinecompositebladebyYuGuoqingB.E.(HubeiUniversityofArtsandSciences)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMechanicsintheGraduateSchoolofHunanUn

3、iversitySupervisorProfessorRenYiruandXiaoWanshenMay,2018潮流能水轮机复合材料叶片损伤特性研究摘要潮流能的开发技术成为当下研究热点，而水轮机作为捕获潮流能的装置备受关注。水轮机叶片的大型化和轻量化推进，使得传统的金属叶片已远远不能满足要求，而复合材料高比强度、比刚度以及良好的抗疲劳性能等优势使得复合材料叶片成为重点研究对象。因此，深入研究潮流能水轮机复合材料叶片的损伤具有重大意义。本文结合叶素动量理论（BEMT）和有限元分析方法（FEA），分别考虑Hashin失效准则中的纤维拉伸损伤，纤维压缩损伤，基体拉伸损伤以及

4、基体压缩损伤四种损伤模式，研究了潮流能水轮机复合材料叶片的损伤特性。首先，综述了全球潮流能水轮机研究相关文献，对全球能源消费状况、潮流能开发技术、水轮机叶片设计以及复合材料叶片损伤评估等做了详细调研。介绍了水轮机复合材料叶片相关理论。着重介绍了叶素动量理论，基于此理论建立水轮机叶片的水动力模型。复合材料理论中介绍层合板理论以及Hashin失效准则。其次，通过翼型二维-三维坐标变换方法、绘图软件等，建立叶片三维模型。结合复合材料结构设计准则以及有限元分析工具，建立水轮机复合材料叶片的有限元模型。在给定的工况下，运用叶素动量理论求解水动力载荷，并建立水轮机复合材料叶片损伤

5、评估模型。然后基于损伤评估模型，对正常运行工况和极限运行工况下叶片损伤状况进行评估。同时考虑湿热效应以及海水环境对复合材料性能的影响，进一步考虑这些因素对叶片损伤的影响。最后，研究复合材料叶片材料结构参数对损伤的影响。研究工字梁和箱型梁在同种工况下的损伤破坏，并基于碳玻纤维层间混杂模型以及混搭复合材料研究材料对叶片损伤的影响，同时也分析了蒙皮部件的铺层方案的影响。数值分析结果表明，复合材料叶片损伤主要形式为基体拉伸损伤，其主要发生在迎流面梁帽和迎流面蒙皮前缘部位。通过对比正常工况和极限工况，可得知流速对叶片损伤模式有重大影响，可能导致基体压缩损伤。湿热效应和海水环境这

6、些因素会降低材料的弹性模量和强度，因此可能触发基体压缩损伤并扩大基体拉伸损伤区域。相比于箱型梁叶片，工字梁叶片的端部挠度更低，基体拉伸损伤区域大大缩小。碳玻纤维层间混杂模型和复合材料混搭模型的应用能减轻梁帽处的基体拉伸损伤。而通过增加蒙皮铺层中[0]纤维、减少[90]纤维也减弱了迎流面前缘部位的基体拉伸损伤。上述分析结果可为水轮机复合材料叶片的设计提供重要的参考价值。关键词：水平轴潮流能水轮机；复合材料叶片；Hashin失效准则；叶素动量理论；损伤评估II潮流能水轮机复合材料叶片损伤特性研究AbstractThedevelopmenttechnologyoftid

7、alcurrenthasbecomethefocus,anddueattentionhasbeenpaidtotidalcurrentturbinewhichisthedeviceofcapturingenergyfromthecurrents.Thelarge-scaleandlight-weightadvancementofturbinebladeshasmadetraditionalmetalbladesfarfrommeetingtherequirements.Theadvantagesofhighspecificstrength,speci