研究表明，造成水轮机转轮叶片振动疲劳断裂的原因是作用在叶片上的稳定应力和振动交变应力对叶片材料的累计损伤造成的微裂纹和裂纹的扩展。水轮机转轮刚强度分析是降低叶片裂纹发生率，提高水力机组运行稳定性的一种重要手段.目前，水轮机叶片刚强度分析方法主要有以下几种：(a)采用简化方法建立叶片表面水压力分布的数值解析模型，将此数值模型与结构动力学方程相结合并进行刚强度分析。(b)对水轮机转轮内部或者全流道内的流动进行非定常数值模拟，将得到的水压力以载荷的形式施加至叶片结构分析的几何模型并进行刚强度分析。这种方法中的水压力传递方式对分析结果与实际相符程度有较大影响。(c)流固耦合的研究方法。这种方法中的流体域和固体域的计算模型以及求解过程中两域之间的信息传递方式对分析结果的影响较大。
      从理论上讲，采用CFD技术进行原型水轮机的非定常流动计算，可以获得较准确的压力分布信息，有利于提高强度计算的准确性。本文对轴流式原型水轮机进行了三维非定常湍流计算，分析了水轮机流道内多个测点的压力脉动的主要频率、幅值大小和变化规律，并在弱耦合的基础上，考虑非定常水流对叶片的影响，对变形后的叶片重新建模后进行了非定常计算，得到了压力脉动的主要频率。
      本文采用基于雷诺时均的N-S方程、k-ε紊流模型、有限体积法和非结构化网格模拟轴流式转轮通道内的流动。a.流动控制方程。对于不可压黏性流体，采用连续性方程ρt+(ρU)=0(1)和动量方程ρUt+·(ρU U)-·(μeff U)=p+·(μeff U)T+B(2)μeff=μ+μtμt=cμρk2ε式中：ρ———流体密度；U———速度矢量；p———压力；B———附加项；μeff———有效黏性系数；μt———紊流黏性系数；cμ———给定常数；k———紊流脉动动能，表示紊流的速度尺度；ε———紊流脉动动能的耗散率，表示紊流的长度尺度。
      本文的分析对象为轴流式水轮机，流体计算域的实体模型如图所示。研究对象的转轮直径为8.5m，叶片为5个。原型导叶开度对应的模型导叶开度为40mm，桨叶角度为35°(全关位置为0°)，单位转速为145 r/min，单位流量为2.334 m3/s，水头17.5m，转速为71.4r/min.网格划分所采用的技术：尾水管采用结构化网格技术，其余过流部件采用非结构化网格技术；叶片区域采用局部加密技术，动静部分之间采用GGI(general grid interfaces)拼接网格技术。
      对于给定荷载的叶片刚强度分析，一种较为有效的方法就是有限元分析。有限元分析首先要确定所剖分的单元的刚度矩阵和质量矩阵，其次要利用结构的动力平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程M¨δ+C﹒δ+Kδ=Qc+P+R-Fδ(3)式中：M———结构质量矩阵；C———结构阻尼矩阵；K———结构刚度矩阵；Qc———结构在原始状态下的离心力载荷向量；P———结构表面上的等效节点载荷向量；Fδ———结构初应力引起的等效节点载荷向量；R———节点集中力向量。
      在进行有限元分析之前，必须建立合理的水轮机叶片三维实体模型。水轮机叶片的几何形状很复杂，是一种空间扭曲型曲面，为实现建模的参数化和自动化，采用三维造型软件MDT来建立水轮机叶片三维有限元分析模型。水轮机叶片几何模型建立后，采用四面体网格对叶片模型进行网格划分。

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