碳纖維復(fù)合材料飛輪的設(shè)計(jì).pdf

1、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能密度大、比功率大、充放電快、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn)，在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中脫穎而出。為了提高飛輪的儲(chǔ)能密度，需要提高飛輪的轉(zhuǎn)速，但同時(shí)飛輪的離心應(yīng)力增大，當(dāng)離心應(yīng)力增大到飛輪材料強(qiáng)度極限時(shí)，飛輪將發(fā)生破壞。碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高，可以承受較大的離心應(yīng)力，但碳纖維復(fù)合材料在纖維縱向（環(huán)向）具有高強(qiáng)度，而橫向（徑向）強(qiáng)度較低，所以飛輪的轉(zhuǎn)速主要由纖維橫向強(qiáng)度限制。復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性會(huì)影響飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)復(fù)合材

2、料飛輪轉(zhuǎn)子做模態(tài)分析。因此碳纖維復(fù)合材料飛輪的徑向強(qiáng)度和復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的模態(tài)是復(fù)合材料飛輪設(shè)計(jì)中兩項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。
　　 本文首先分析了儲(chǔ)能飛輪對(duì)材料的要求，介紹了制造復(fù)合材料飛輪常用材料的性能。闡述了復(fù)合材料飛輪的制作工藝，如復(fù)合材料圓環(huán)的纏繞固化工藝，以及多環(huán)過(guò)盈裝配工藝所包含的溫差法和壓入法，為制造復(fù)合材料飛輪提供了具有一定指導(dǎo)意義的工藝方法。
　　 建立了正交各向異性材料軸對(duì)稱問(wèn)題的理論模型，給出了受慣性力作用

3、的正交各向異性圓盤的徑向和環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律。分析了過(guò)盈量與輪緣初應(yīng)力的關(guān)系，并建立了輪轂與輪緣過(guò)盈裝配時(shí)，過(guò)盈量與輪緣初應(yīng)力的定量關(guān)系。提出了在多環(huán)過(guò)盈裝配時(shí)，合理設(shè)計(jì)內(nèi)層圓環(huán)和外層圓環(huán)過(guò)盈量使輪緣在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向應(yīng)力更加均勻。針對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸有限制的復(fù)合材料飛輪，建立了過(guò)盈量確定準(zhǔn)則。利用ANSYS軟件分析了相關(guān)算例，說(shuō)明有限元法的可行性。通過(guò)分析張緊力纏繞模型，提出了配合多環(huán)過(guò)盈裝配工藝的張緊力制度。
　　 針對(duì)實(shí)驗(yàn)室飛輪儲(chǔ)能

4、系統(tǒng)的儲(chǔ)能要求，依據(jù)過(guò)盈量確定準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了兩環(huán)過(guò)盈裝配碳纖維復(fù)合材料飛輪，利用有限元法驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，該復(fù)合材料飛輪的工作轉(zhuǎn)速為40Kr/min，儲(chǔ)能密度提高4.26倍，儲(chǔ)能量提高5.58倍。由于現(xiàn)有的模態(tài)分析軟件不能計(jì)算過(guò)盈裝配復(fù)合材料飛輪的模態(tài)，故只對(duì)多環(huán)復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，結(jié)果與單層無(wú)明顯差異，單層復(fù)合材料飛輪的模態(tài)結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)多環(huán)飛輪有一定的指導(dǎo)意義。對(duì)設(shè)計(jì)的兩環(huán)過(guò)盈裝配碳纖維復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，知該