（机械电子工程专业论文）design+of+nacelle+structure+of+horizontal+axis+tidal+turbine+against+different+failure+modes.pdf

d e s i g no fh a t tn a c e l l ea g a i n s td i f f e r e n tf a i l u r em o d e s 摘要 海洋能发电是近年来可再生能源领域中发展迅速的技术，潮汐发电是海洋能 发电的重要形式之一，而在潮汐发电中，水平轴潮汐透平机具有很多优点和优势， 因此，在实际中具有广泛的应用。 位于水下的水平轴潮汐透平机壳体包含有传动系统和叶片底座，由于它同时 承受静态和动态载荷，其强度对于水平轴潮汐透平机是至关重要的。通过分析该 圆柱形壳体结构，本研究完成了基于失效模式的水平轴潮汐透平机壳体设计。 使用a p d l 编程语言，在a n s y s 平台上建立了有限元分析模型；基于v o n m i s e s 屈服准则，对壳体厚度进行了优化；通过应力释放和预应力模态分析方法， 对水平轴潮汐透平机壳体进行了动态分析，结果表明，预先加载可以减低频率， 且振型对预先加载不敏感；同时使用d n v 准则，对壳体的危险点进行了疲劳分析， 壳体的疲劳积累损伤率满足安全要求。 弯曲变形和稳定性进行了分析，圆柱形壳体和圆锥端也进行了非线性弯曲分 析，结果表明，弯曲载荷的增加会使壳体厚度大幅增加。 关键词：壳体；水平轴透平机；模态分析；疲劳分析；弯曲分析 m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o no fh a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y a b s t r a c t n a c e l l eo fah o r i z o n t a la x i st i d a lt u r b i n e ( h a t t ) i saw a t e r t i g h te n v e l o p eu n d e r w a t e rw h i c hc o n t a i n st r a n s m i s s i o ns y s t e ma n db l a d e h u ba s s e m b l yi sa l s oc o n n e c t e dt oi t i t ss t r e n g t hi si m p o r t a n td u et ot h er e a s o nt h a ti th a st ow i t h s t a n db o t hs t a t i ca n dd y n a m i c l o a d i n g n a c e l l eo fh a t ti sc y l i n d r i c a ls h e l ls t r u c t u r ew i t hc o n i c a ls h e l le n d s i nt h i s r e g a r d ，ad e t a i l e d l i t e r a t u r es u r v e yw a sc a r r i e do u to ns h e l ls t r u c t u r et h e o r i e sa n d d i f f e r e n td e s i g nr u l e s t h ec u r r e n tr e s e a r c hw o r ki sa i m e da tp r o v i d i n gad e s i g no fa h a t tn a c e l l ea g a i n s td i f f e r e n tf a i l u r em o d e sw i t hs t r u c t u r a lv i e wp o i n t i nt h i sc o n t e x taf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es t r u c t u r ew a sp r e p a r e du s i n ga n s y s ( ap o p u l a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ) b u i l t i np r o g r a m m i n gl a n g u a g ec a l l e d a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) t h ep o w e ro ft h i sl a n g u a g ei st h a t i t p r o v i d e sg r e a t e rf l e x i b i l i t yi nt h em o d e lg e n e r a t i o na n da n a l y s i sp r o c e s s f u r t h e r m o r ei t r e s u l t si ng r e a t e rt i m es a v i n gw h e nm a n yd e s i g ni t e r a t i o n sa r en e e d e dw h i c hr e q u i r e c h a n g e si np a r a m e t e r so ft h em o d e l o p t i m i z a t i o nm o d u l eo fa n s y s s o f t w a r ew a su s e dt oo p t i m i z et h et h i c k n e s so ft h e n a c e l l es t r u c t u r eb ym i n i m i z i n gi t sw e i g h ta n du s i n gv o nm i s e sy i e l dc r i t e r i o n d y n a m i c r e s p o n s eo ft h es t r u c t u r ew a se x a m i n e db yp e r f o r m i n gs t r e s sf r e ea n dp r e - s t r e s s e dm o d a l a n a l y s e s m o d a la n a l y s i sw a s a l s op e r f o r m e do ns y m m e t r i c a lm o d e l s i m p l i f i e df a t i g u e a n a l y s i sw a sp e r f o r m e da th o ts p o tl o c a t i o n so ft h es t r u c t u r eu s i n gt h eg u i d e l i n e so f d n vr u l e s f i n a l l y ，t h es t a b i l i t yo fn a c e l l ea g a i n s tb u c k l i n gw a ss t u d i e da si ti sa l s oo n eo f t h e i m p o r t a n tf a i l u r em o d e sf o rs h e l ls t r u c t u r e s e i g e nb u c k l i n ga n dn o n l i n e a rb u c k l i n g a n a l y s e sw e r ep e r f o r m e df o rc y l i n d r i c a ln a c e l 彪a n di t s c o n i c a le n d s b u c k l i n gl o a d s w e r ea l s oc a l c u l a t e dw i t ha n a l y t i c a lf o r m u l a t i o n sf o rv a l i d a t i o np u r p o s e k e y w o r d s ：n a c e l l e ；h a t t ；a p d l ；o p t i m i z a t i o n ；m o d a la n a l y s i s ；f a t i g u ea n a l y s i s ； b u c k l i n ga n a l y s i s l i s to ff i g u r e s f i g u r e1 1p o w e rd e n s i t ya n dc u r r e n tv e l o c i t y 1 f i g u r e1 2v a t t 2 f i g u r e1 3 h a t t 3 f i g u r e1 4d i f f e r e n tt y p e so fs u p p o r ts t r u c t u r e sf o rt i d a lt u r b i n e s 3 f i g u r e1 5n a c e l l eo f h a t t ；4 f i g u r e2 1c o n c e p to fs h e l la sc u r v e ds u r f a c e s 7 f i g u r e2 2d i f f e r e n tm o d es h a p e s 1 2 f i g u r e3 13 dm o d e lo f n a c e l l es t r u c t u r e 1 7 f i g u r e3 2s h e l l - - 9 3e l e m e n tg e o m e t r y 1 8 f i g u r e3 3m a p p e dm e s hm o d e lw i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 9 f i g u r e3 4at y p i c a ld e s i g no p t i m i z a t i o ns e q u e n c e 1 9 f i g u r e3 5v a r i a t i o no f t h i c k n e s so f n a c e l l e d e s i g ns e t s 一2 2 f i g u r e3 6v a r i a t i o no f v o nm i s e ss t r e s s d e s i g ns e t s 2 2 f i g u r e3 7o p t i m i z a t i o no f v o l u m e d e s i g ns e t s 2 3 f i g u r e3 8n a c e l l ea s s e m b l y 2 6 f i g u r e3 9v o nm i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o n 2 7 f i g u r e3 1 0v o nm i s e se l a s t i cs t r a i nd i s t r i b u t i o n 2 7 f i g u r e ：；11d i s p l a c e m e n tv e c t o rs u m 2 8 f i g u r e ：；1 2d e f o r m e dp l u su n d e f o r m e ds h a p e o f t h em o d e l 2 8 f i g u r e4 1m o d es h a p e sa n do s c i l l a t i n gz o n e sf o rs t r e s s f r e ef u l lm o d e l 3 8 f i g u r e4 23 ds y m m e t r i cm o d e lw i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 9 f i g u r e4 3m o d es h a p e sa n do s c i l l a t i n gz o n e s f o rs t r e s s f l e es y m m e t r i cm o d e l 4 0 f i g u r e4 4m o d es h a p e sa n do s c i l l a t i n gz o n e s f o rp r e s t r e s s e dm o d e l 4 2 f i g u r e5 1c o m p a r i s o nb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i cs n c u r v ea n df r a c t u r em e c h a n i c sa p p r o a c h 4 5 f i g u r e5 2s nc u r v e si ns e a w a t e rw i t hc a t h o d i cp r o t e c t i o n 4 6 f i g u r e5 3h o t s p o tl o c a t i o n si nt h es t r u c t u r e 4 9 f i g u r e5 4m e s h e dm o d e lw i t hm o r ef i n em e s ha th o t s p o tr e g i o n 5 0 f i g u r e6 1b u c k l i n gc u r v e s ( a ) n o n l i n e a rl o a dd e f l e c t i o nc u r v e ( b ) l i n e a r ( e i g e n v a l u e ) b u c k l i n gc u r v e 5 5 f i g u r e6 2b o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rn a c e l l es e c t i o n s 5 7 f i g u r e6 3f l o wc h a r tf o re i g e n v a l u ea n a l y s i si na n s y s 5 8 f i g u r e6 ：4b u c k l e ds h a p ef o r1 甜m o d e 5 9 f i g u r e6 5v o nm i s e ss t r e s sp l o tf o r1 s t m o d e 5 9 f i g u r e6 61 吼b u c k l e dm o d es h a p ef o rf r o n ta n dr a r ee n d s 6 0 f i g u r e6 7v o nm i s e ss t r e s sp l o to f1 “m o d ef o rf r o n ta n dr a r ee n d s 6 1 d e s i g no f h a t tn a c e l l ea g a i n s td i f f e r e n tf a i l u r em o d e s f i g u r e6 8e l a s t o p l a s t i cs t r e s ss t r a i nc u r v e 6 5 f i g u r e6 9f o r c ea p p l i e df o rn o n l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i s 6 6 f i g u r e6 1 0f l o wc h a r tf o rn o n l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i si na n s y s 6 6 f i g u r e6 1 lm a xd e f l e c t i o nv sm a xr e a c t i o nf o r c ea te a c hs u b s t e p 6 7 f i g u r e6 1 2v a r i a t i o no f b u c k l i n gl o a dw i t hs h e l lt h i c k n e s sf o rc y l i n d r i c a ls e c t i o n 6 9 f i g u r e6 13v a r i a t i o no fb u c k l i n gl o a dw i t hs h e l lt h i c k n e s sf o re n dc o v e r s 一6 9 l i s to ft a b l e s t a b l e1 1 d e s i g np a r a m e t e r so f h a t t 5 t a b l e ：；1m a t e r i a lp r o p e r t i e sf o rt h el i n e a rs t a t i ca n a l y s i s 1 8 t a b l e3 2a n a l y s i ss e t t i n g sf o rd e s i g no p t i m i z a t i o n 2 1 t a b l e3 3v a r i a b l ep a r a m e t e r sf o rt h eb e s ts e t 2 3 t a b l e3 4a n a l y s i sp a r a m e t e r s 2 6 t a b l e3 5f i n a ld e s i g np a r a m e t e r s 2 9 t a b l e4 1m a t e r i a lp r o p e r t i e sf o rm o d a l a n a l y s i s 3 5 t a b l e4 2g e n e r a ls e t t i n gf o rm o d a l a n a l y s i s 3 6 t a b l e4 3n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm a x d i s p l a c e m e n tf o rs t r e s s f r e ef u l lm o d e l 。3 7 t a b l e4 4n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm a x d i s p l a c e m e n tf o rs t r e s s f r e es y m m e t r i cm o d e l 3 9 t a b l e4 5n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm a x d i s p l a c e m e n tf o rp r e s t r e s s e dm o d e l 4 1 t a b l e4 6c o m p a r i s o no f n a t u r a lf r e q u e n c i e sf o rs t r e s s f r e ea n dp r e s t r e s s e dm o d e l 4 2 t a b l e4 7c o m p a r i s o no f l o w e s tf r e q u e n c yo f n a c e l l ew i t ht h a to fr o t o rb l a d e 4 3 t a b l e5 1s nc u r v e si ns e a w a t e rw i t hc a t h o d i cp r o t e c t i o n 4 7 t a b l e5 2t r e n do ft i d a lc u r r e n t 5 0 t a b l e6 1a n a l y s i ss e t t i n g sf o re i g e nb u c k l i n ga n a l y s i s 5 7 t a b l e6 2l i n e a rb u c k l i n gm o d e sf o rc y l i n d r i c a ls e c t i o n 5 9 t a b l e6 3l i n e a rb u c k l i n gm o d e sf o rc o n i c a ls e c t i o n s 6 0 t a b l e6 4a n a l y t i c a lb u c k l i n gl o a dv a l u e sf o rc y l i n d r i c a ls e c t i o n 6 3 t a b l e6 5c o m p a r i s o no f a n a l y t i c a lb u c k l i n gl o a dw i t he i g e nb u c k l i n gf o rc o n i c a le n d s 6 4 t a b l e6 6c o m p a r i s o no fb u c k l i n gl o a d sf o rc y l i n d r i c a ln a c e l l es e c t i o nb yn u m e r i c a la n d a n a l y t i c a lm e t h o d s 6 7 t a b l e6 7v a r i a t i o no fb u c k l i n gp r e s s u r ew i t hc h a n g ei nt h i c k n e s s 6 8 c h a _ p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1t i d a lc u r r e n t a m o n gt h ea v a i l a b l es u s t a i n a b l er e s o u r c e s ，o c e a n so f f e ro n eo ft h el a r g e s tu n t a p p e d s o u r c e so fe n e r g y p o w e rf r o mt i d a lc u r r e n t sc o u l da d da p p r o x i m a t e l y1 0 0 g wt ot h ew o r l d e l e c t r i c i t ys u p p l y t h e r ea r et w ow a y st oh a r n e s st i d a lp o w e ru s i n ge i t h e rp o t e n t i a lo rk i n e t i c e n e r g y h y d r op o w e rp l a n t sa c r o s st i d a le s t u a r ym a k eu s eo fp o t e n t i a le n e r g yb e t w e e nh i g h a n dl o wt i d e s t h ef i r s tt i d a lp o w e rp l a n to fl ar a n c ew a so p e n e di nf r a n c ei n1 9 6 7f e a t u r i n g 2 4 0 m wc a p a c i t y t h es e c o n do p t i o ni st oe x t r a c tp o w e rf r o mt h et i d a ls t r e a m t i d a lc u r r e n t t u r b i n e sh a r n e s st h ek i n e t i ce n e r g yo ft h ep e r i o d i c a l l yr e t u r n i n gt i d a lc u r r e n t s i n c et h el a t e 1 9 7 0 s ，t h i sc o n c e p th a sb e e ni n v e s t i g a t e dd u et ot h el o w e rc o s to fc i v i lw o r k sa n dl o w e r e c o l o g i c a l i m p a c t sw i t hr e s p e c tt ot h et i d a ld a m sl q f u r t h e r m o r e ，t i d a lp o w e ri sm u c hm o r er e l i a b l et h a nw i n dp o w e rd u et oi t sp r e d i c t a b l e n a t u r et h u sm a k i n gi tab e t t e rs o u r c eo fe l e c t r i c a le n e r g yf o rf e e d i n gt h ee l e c t r i c a lg r i d m a r i n e c u r r e n tt u r b i n e s ，d u et ot h ew a t e r sg r e a t e re n e r g yd e n s i t yt h a na i rc a nb em u c hs m a l l e rt h a n t h e i rw i n dc o u n t e r p a r t s t h et i d a ls t r e a mp o w e rd e n s i t yi st h ek i n e t i ce n e r g yo ft h ef l u i d t h ep o w e ra v a i l a b l e f r o mas t r e a mo fw a t e ri s ：【2 1 ， p = 三p a v 3 ( 1 1 ) w h e r epi st h ed e n s i t yo fw a t e r ，ai st h ec r o s s - s e c t i o n a la r e ao ft h er o t o ra n dv i st h e f r e e - s t r e a mv e l o c i t yo ft h ec u r r e n t t h er e l a t i o n s h i ps h o w st h a tp o w e ra n dh e n c ee n e r g y c a p t u r ea r eh i g h l ys e n s i t i v et ov e l o c i t y i ti n c r e a s e sq u i t er a p i d l yw i t hc u r r e n ts p e e d f i g u r e 1 1s h o w st h es e n s i t i v i t yo ft h ep o w e rc a l c u l a t i o nt ot h ec u r r e n ts p e e ds e l e c t e d 【2 1 3 s 3 戆 2 5 壑聪锻2 0 薹麓狂s i 蠢 ( k w m 2 ) o蛰。522 533 ，54 c u r r e n tv e l o c i 姆 o n s ) f i g u r e1 1p o w e rd e n s i t ya n dc u r r e n tv e l o c i t y p n v _ 0 tll m a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o no fh a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 1 2t i d a lc u r r e n tt u r b i n e s t h ec a t e g o r yo ft i d a lt u r b i n e se m p l o y e dc a nb ec h a r a c t e r i z e db yi t sr o t a t i o n a la x i s o r i e n t a t i o nw i t hr e g a r dt ot h ew a t e rf l o wd i r e c t i o n v e r t i c a la x i st i d a lt u r b i n e ( v a t t ) h o r i z o n t a la x i st i d a lt u r b i n e ( i i a t o 1 2 1v e r t i c a la x i st i d a lt u r b i n e t h ec o n c e p to fav e r t i c a la x i st i d a lc u r r e n tt u r b i n ei si n s p i r e db yi t sw i n dc o u n t e r p a r t t h ek e yf e a t u r eo fa 、k ni si t sc r o s s f l o wd e s i g n ，i nw h i c ht h eb l a d e sa n dr o t o rt r a n s m i s s i o n s h a f ta r ep a r a l l e lt oo n ea n o t h e ra n da r eb o t ho r i e n t e dp e r p e n d i c u l a rt ot h ei n c o m i n gc u r r e n t f l o w 5 1 t h i sc o n f i g u r a t i o na l l o w st h er o t o rt oa l w a y sr o t a t ei nt h es a m ed i r e c t i o na n db e i n s e n s i t i v et ot i d a lc u r r e n td i r e c t i o n f i g u r e1 2v a t r 1 2 2h o r i z o n t a la x i st i d a lt u r b i n e ah o r i z o n t a la x i st i d a lc u r r e n tt u r b i n ea l s or e s e m b l e saw i n dt u r b i n ea n dt y p i c a l l y c o m p r i s e sar o t o r ( b l a d e snh u b ) ，n a c e l l e ，t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e i th a s a na x i so fr o t a t i o np a r a l l e lt ot h ec u r r e n td i r e c t i o na n di t sr o t o rm u s tb ec o n t r o l l e dt of o l l o w t h ec u r r e n td i r e c t i o n t h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o nf o rt h eh a t ti st h a tt h ei n f l o wc a u s e s r e s u l t a n th y d r o d y n a m i cf o r c e ，w h i c hh a sc o m p o n e n t sa c t i n gn o r m a lt ot h ea x i so ft h er o t o r b l a d ei nt h ep l a n eo fr o t a t i o n t h er e s u l t i n gt o r q u ei st r a n s f e r r e db yas h a f ta n dg e a r b o xt oa n e l e c t r i c a lg e n e r a t o r m o s th o r i z o n t a la x i st u r b i n e sh a v et h r e er o t o rb l a d e s ，b u tt w o b l a d e r o t o r sa r em e c h a n i c a l l ys i m p l ea n dc a nb em o r ee a s i l yh a n d l e du n d e rm a r i n ec o n d i t i o n s ； h e n c et w o b l a d er o t o r sa r em o r ef a v o r a b l ef o rc o m m e r c i a lh o r i z o n t a la x i st i d a lc u r r e n t t u r b i n e st 4 j s i n c et h ed e n s i t yo fs e aw a t e ri s8 0 0t i m e sd e n s e rt h a na i r ，t h ee n e r g yc a p t u r e d a c r o s st h es a m es w e p ta r e ao ft h er o t o rb l a d ei sa l s o8 0 0t i m e sm o r ei ns e a w a t e rt h a ni na i r w i t hs a m ef l o ws p e e d t h e r e f o r e ，t i d a lc u r r e n t t u r b i n ec a nh a v es m a l l e rr o t o rb l a d e sa n da l s oa 2 c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n l o w e rr o t a t i o n a ls p e e dc q m p a r e dt oaw i n dt u r b i n et oc a p t u r et h es a m ea m o u n to fk i n e t i c e n e r g y f i g u r e1 3h a t t f u r t h e r m o r e ，u n l i k e 而n d ，t h ed i r e c t i o no fw h i c hv a r i e s ，t i d a lc u r r e n t sa r ef r e q u e n t l y c l o s et ob e i n gb i d i r e c t i o n a l w i n dt u r b i n e sh a v et ob ey a w e di no r d e rt of a c ei n t ot h ew i n d b u tf o rt i d a lc u r r e n tt u r b i n e s ，o n l yt u r b i n eb l a d e sn e e dt ob er e v e r s e da n dp i t c h e dt h r o u g h18 0 。i no r d e rt oc h a n g et u r b i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o no n af l o o dt i d et oa ne b bt i d e n o wa d a y sf o u r t y p e so fs u p p o r ts t r u c t u r e sa r eb e i n gu s e df o rt i d a lc u r r e n tt u r b i n e sa ss h o w ni n