高速儲能復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析與優(yōu)化研究.pdf

1、隨著飛輪轉(zhuǎn)速和儲能密度要求的不斷提高，采用高比強(qiáng)度的復(fù)合材料、多環(huán)組合結(jié)構(gòu)成為飛輪轉(zhuǎn)子的主要形式。為了充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，本文對飛輪轉(zhuǎn)子工作過程和制造過程的力學(xué)行為進(jìn)行理論分析，開展多環(huán)混雜復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子強(qiáng)度優(yōu)化研究。針對不同應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)定相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)應(yīng)力分布合理、極限轉(zhuǎn)速高、儲能密度大、成本低的多環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子。論文主要研究工作如下:
　　1.復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子充放電過程應(yīng)力分析。針對儲能飛輪充放電運(yùn)行過程，

2、基于彈性力學(xué)理論，采用平面應(yīng)力假設(shè)，考慮角加速度的影響，對復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行應(yīng)力分析。對照恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩種充放電控制方式，分別建立了飛輪工作轉(zhuǎn)速的變化模型，進(jìn)而確定充放電過程飛輪轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布和變化規(guī)律。
　　2.復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力位置分析。建立了高速運(yùn)行時(shí)飛輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力極大值位置方程，采用牛頓迭代法對其進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。分析復(fù)合材料各向異性系數(shù)、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑比對最大應(yīng)力位置的影響。研究表明:(1)內(nèi)外徑比小的飛輪轉(zhuǎn)子，最大徑

3、向應(yīng)力位置與材料屬性緊密相關(guān)，隨著各向異性系數(shù)增大，最大徑向應(yīng)力位置向外側(cè)方向移動(dòng);最大環(huán)向應(yīng)力位置位于飛輪轉(zhuǎn)子的外側(cè)附近。(2)內(nèi)外徑比大的飛輪轉(zhuǎn)子，徑向最大應(yīng)力位于中心面附近，可用中心面替代最大徑向應(yīng)力位置;最大環(huán)向應(yīng)力位于轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)。
　　3.復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子纖維纏繞等剩余張力設(shè)計(jì)。針對芯軸和已纏繞層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，建立了單層纖維纏繞的力學(xué)模型;基于力的疊加原理，計(jì)算纏繞結(jié)束時(shí)每層纖維的實(shí)際剩余纏繞張力;根據(jù)預(yù)設(shè)纖維纏繞剩余張

4、力要求，逆向?qū)Τ跏祭p繞張力進(jìn)行迭代分析，進(jìn)而確定各層初始纏繞張力及預(yù)拉力。等剩余張力設(shè)計(jì)時(shí)，迭代所得初始纏繞張力比預(yù)設(shè)值大，其分布從內(nèi)到外先增大后減小，在中間部位有最大值。
　　4.復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子和安裝軸的合理設(shè)計(jì)。對復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子和安裝軸的初始過盈裝配及其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力進(jìn)行分析，以不出現(xiàn)材料的初始壓裝損壞和高速松脫分離為條件，同時(shí)考慮纖維纏繞初始張力的影響，提出一種合理過盈量的計(jì)算方法，并編制相應(yīng)的過盈連接程序。以碳纖維T3

5、00/2500轉(zhuǎn)子和鋁合金芯軸為例進(jìn)行了合理過盈量的計(jì)算，轉(zhuǎn)子在靜止、最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速時(shí)強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。
　　5.多環(huán)混雜復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了獲取優(yōu)化過程中所需的即時(shí)應(yīng)力，針對多環(huán)混雜復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分析，提出了一種相對位移和逐層裝配相結(jié)合的解析計(jì)算方法。根據(jù)儲能飛輪的不同應(yīng)用領(lǐng)域，分別以單位質(zhì)量儲能密度(EPM)、單位體積儲能密度(EPV)、單位價(jià)格儲能密度(EPC)及同時(shí)考慮價(jià)格和質(zhì)量的儲能密度(E

6、PMC)為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮纖維纏繞、多環(huán)過盈套裝和高速運(yùn)行時(shí)的受力特征，采用二次序列規(guī)劃方法(SQP)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到各組成環(huán)的最佳幾何尺寸、環(huán)間過盈量，以及飛輪轉(zhuǎn)子能達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速和儲能能力。優(yōu)化結(jié)果顯示，多環(huán)混雜復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子在極限轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各環(huán)界面之間接近徑向分離狀態(tài)，組成材料在環(huán)向和徑向幾乎同時(shí)接近各自的強(qiáng)度極限。此時(shí)，數(shù)個(gè)可能發(fā)生的破壞模式同時(shí)出現(xiàn)，飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和組成材料性能得到了充分應(yīng)用。由于存在環(huán)間驅(qū)動(dòng)問題，