复合材料飞轮的设计分析

复合材料具有重量轻，强度高等优点，是储能飞轮的理想材料。文中对复合材料飞轮的储能能力及其影响因素进行分析，并对两种结构复合材料飞轮－单层与多层等厚度圆环飞轮的应力分布与结构设计进行定量分析与比较。飞轮的储能能力受飞轮转子结构及其飞轮材料强度的影响，飞轮转子内外半径比应根据实际应用要求确定，选择高强度低密度的材料可提高飞轮的轮缘线速度，从而提高飞轮的储能能力，等厚度圆环飞轮的应力分布主要受飞轮转子内外半径比和材料物理特性的影响，对于内外半径比一定的层圆环复合材料飞轮，飞轮的环向应力远大于其径向应力。与单层圆环飞轮相比，多层圆环飞轮的应力分布更为均匀，合理，飞轮的储能能力更大。     

多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计

修正多层复合材料飞轮转子因过盈装配产生的应力的计算方法,给出一种飞轮转子在纤维缠绕时产生的应力的计算方法;研究基于改进海明距离的种群初始化方法和基于进化代数的反馈变异方法,提出反馈自适应遗传算法(Feedback adaptive genetic algorithm,FAGA);利用FAGA算法,考虑应力约束、质量约束,以储质量储能密度(EPM)、成本储能密度(EPC)为目标,探讨多层复合材料飞轮优化问题.仿真分析验证了应力计算方法的合理性和FAGA算法的寻优能力,揭示了应力约束、质量约束及设计目标对内外径比、转速、EPM、EPC的影响规律.     

复合材料飞轮转子设计

考虑到转子与驱动机构的连接,给出了一种金属轮毂加复合材料轮缘结构飞轮转子的设计方法。分析了转子材料、结构、连接及制作工艺等因素对储能密度的影响,分析结果表明:复合材料轮缘内外径比值α是影响其储能密度的关键,根据轮缘材料选取合理值,对轮毂进行优化可以进一步提高转子的储能密度。分析中所用复合材料及胶粘剂力学常数的准确性是影响仿真结果的主要因素,通过实验对其理论值进行修正可以进一步提高仿真结果的准确性。对实际应用中一个具体飞轮转子进行了设计并制作出了转子,在20 000 r/min转速范围内进行了旋转应力实验,仿真分析与实验结果取得了较好的一致性,证明了本文设计方法的正确性。     

飞轮储能系统轴系的优化设计研究

针对采用径向电磁轴承支承的飞轮储能系统中,工作转速会跨越临界转速而造成轴系所受应力强度过大及系统不稳定的问题,对储能飞轮的材料边缘线速度、所受弯曲应力,以及轴系的临界转速等方面进行了研究。对飞轮储能系统中飞轮本体的参数设计要求进行了归纳,提出了一种"以轻量化"为目的,以储能量要求、材料边缘线速度要求,轴系许用弯曲应力和工作转速与临界转速要求为约束条件的优化设计方案。研究结果表明,所得到的飞轮本体参数满足实际运行的需求,且为满足运行需求方案中质量最轻的方案。     

复合材料储能飞轮挠性结构振动的磁轴承控制

储能密度是储能飞轮的重要指标之一,选用碳纤维、玻璃纤维复合材料的储能飞轮可以有效提高储能密度,同时,选用磁悬浮支承则可以适应真空环境及减少损耗。但是,由此也增加了结构的复杂性,例如,连结飞轮转子中金属部件与复合材料之间的挠性薄壳轮毂具有不同于常规刚体飞轮的动力学模型特性。针对薄壳结构的模态振动特征与陀螺效应控制之间的矛盾,描述一种具有挠性结构储能飞轮的磁轴承控制方法。在模态分析的基础上,利用多通道添加相位整形的控制方法有效抑制了系统中的挠性结构的模态振动。试验结果表明,使用所设计的控制器,转子可平稳通过中心频率为340 Hz的轮毂——心轴挠性模态振动区域,运行转速475 Hz(28 500 r/min),轮缘最大线速度达到450 m/s,并成功实现飞轮的充放电过程。     

复合材料飞轮结构有限元分析与旋转强度试验

飞轮储能技术是一种机械能量储存方式。储能密度是衡量飞轮储能系统优劣的重要参数,如何提升储能密度,是飞轮储能技术研究的重要内容之一。本文运用ANSYS有限元分析软件对复合材料飞轮转子进行有限元分析,得到不同转速下结构应力与应变的分布,计算得到飞轮理论极限转速为950 r/s,飞轮外缘线速度836 m/s。对飞轮进行高速旋转强度、破坏试验。在试验中,利用电涡流传感器测量轮毂侧壁形变,飞轮形变测量值和理论预计值基本一致。试验飞轮边缘最高线速度达到796 m/s,储能密度达到48 Wh/kg。     

复合材料飞轮转子成型工艺的有限元模拟

飞轮转子是飞轮储能系统(FESS)中的重要部件。飞轮转子的材料、几何形状和制造工艺等关键因素都会对FESS的性能产生直接的影响。采用三维有限元方法,分析了金属轮毂与纤维缠绕成型的复合材料轮缘结构的飞轮转子,在16 000 r/min的转速下,转子材料、轮毂与轮缘的安装方式以及缠绕角对金属轮毂Von Mises等效应力分布和复合材料轮缘径向应力分布的影响。根据分析结果,确定了复合材料飞轮转子的制造工艺:T800H碳纤维复合材料轮缘在7050铝合金轮毂上直接缠绕成型,飞轮转子能够正常工作。     

基于成本评价和应力分析的飞轮转子优化设计

以飞轮转子工艺特性、结构特性、材料价格为因素,提出一种基于模糊综合评判的复合材料飞轮转子成本评价方法。基于成本评价和应力分析,以单位质量储能量(即储能密度,EPM)、单位成本储能量(EPC)、单位体积储能量(EPV)为目标,提出一种复合材料飞轮转子多目标优化设计方法。为提高较大目标值和降低较小目标值的选取概率,设计了基于正弦函数的优化目标函数,并给出了基于目标函数二次方的多目标优化表达式;为提高安全可靠性,对复合材料应力约束进行了分析,给出了飞轮转子最高转速、最大外径与应力约束极限的关系式。最后,对成本评价和多目标优化方法进行了仿真,验证了所提出方法的有效性。     

芳纶纤维增强复合材料转子的有限元分析

转子是机械转动部件中的一种,存在于电动机、水轮机、风力发电机、飞轮储能系统等各种机电设备中。在飞轮储能系统中,转子的材料、形状等关键因素都会对系统的性能产生影响。文中以提高飞轮储能系统转子的转速为出发点,建立了复合材料转子的数字化模型,并且对芳纶纤维复合材料转子开展了有限元分析,确定了复合材料层数变化、过盈量变化等对轮毂和轮缘的径向应力、周向应力及转速的影响。数值模拟结果为芳纶纤维增强树脂基复合材料在复合材料飞轮中的应用提供了参考。     

两层预应力转子结构复合材料储能飞轮的应力及位移计算

采用预应力结构可使复合材料飞轮的应力、位移分布得到一定改善,从而提高飞轮储能密度。考虑复合材料和预应力结构的特点,建立基于各向异性对称结构理论的计算模型,得到两层预应力转子结构复合材料储能飞轮在工作转速情况下应力和位移的解析公式,对内、外两层飞轮任一点的径向、环向应力及径向位移进行较为全面的仿真分析,并利用所建立的计算模型对飞轮在某一转速时不同的位置对径向应力、环向应力和径向位移的影响进行探讨。结果表明,内层转子径向应力在外侧最大,环向应力在内侧最大;外层转子径向应力和环向应力均在内侧最大。当角速度 从0增加到5 000 rad•s−1时,内、外转子的径向应力、环向应力和径向位移都随之增大。当 =600 rad•s−1,整个飞轮径向应力、环向应力和位移的最大值出现在两层转子的接触面r=0.27 m处。该分析结果可为飞轮的设计制造提供重要的参考。     

混合复合材料飞轮转子成本优化设计

基于平面应力理论,计算多层过盈装配混合纤维增强复合材料飞轮转子的应力分布;指出多层过盈装配复合材料转子多种可能的失效形式;结合增广Lagrange乘子法、粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法和经典梯度算法各自的优点,提出可求解非线性约束问题的且具有全局收敛性和较高计算效率的两阶段增广Lagrange粒子群优化算法(Two-stage augmented Lagrange particle swarm optimization,TS-ALPSO);利用TS-ALPSO优化算法,以多层过盈装配混合复合材料转子的分层半径、层间过盈量和转速为设计变量,研究多层混合复合材料转子的成本优化问题;并分析转子材料价格不变时,材料次序、分层数及过盈量对转子储能性能的影响;揭示出转子单位成本储能最大时,转子分层半径、层间过盈量及转速随转子材料价格变化的规律。     

Optimization of composite flywheel design

Composite flywheels are effective energy storage devices. The multi-rimmed flywheel configuration is first chosen for this study because of its superior operating characteristics and versatility. Then the Kevlar-49/epoxy system is adopted as the basic composite material, which is sandwiched between thin layers of rubber. A general stress analysis procedure is developed for the multi-rimmed structure and a computer routine is established to investigate the effects of various material and geometric parameters on the internal stress levels. A maximum stress criterion is used for failure of the composite flywheel. The basic goal of optimization is to achieve a stress distribution such that each ring in the multi-ringed structure will fail at approximately the same angular speed. The parameters varied in the optimization process include the thickness, Poisson's ratio, Young's modulus and density of the inter-ring material, the density and thickness of the composite material, and the thickness of the flywheel in the axial direction. The optimization process demonstrated that this procedure can be applied in general when other failure criteria or performance characteristics (such as maximum kinetic energy, kinetic energy per weight and kinetic energy per volume) are preferred.     

飞轮端盖强度的弹塑性设计计算

储能飞轮提高储能密度的关键是提高飞轮转子的线速度 ,为了充分利用端盖材料高强度铝合金的性能 ,强度设计中引入弹塑性设计思想 ,建立了具有几何非线性的有限元弹塑性计算模型 ,提出分段线性化模拟材料非线性的算法。进行了端盖受轴向压力的力学实验 ,和计算结果作了比较。端盖的整体变形和弹塑性计算结果相当符合 ,端盖的破坏载荷大大超过弹性计算的结果。结果表明应用弹塑性计算进行端盖的强度设计是可行的 ,可以明显提高端盖的破坏极限 ,为飞轮端盖的强度设计和结构优化提供了重要方法     

固化方式和纤维表面处理对碳纤维-树脂界面化学组成的影响

对碳纤维进行低温等离子法表面处理,分别在室温和微波固化条件下将碳纤维与环氧树脂复合成型,制备出碳纤维复合材料.采用原子力显微镜、拉曼光谱对碳纤维表面形貌和微观结构进行表征,采用扫描电镜和能量散射光谱对碳纤维-树脂界面区形貌和元素分布进行表征.结果表明,碳纤维经处理后,表面无序结构比例增大,有利于提高纤维的微波吸收能力,使微波固化复合材料的界面结合比室温固化复合材料更牢固.经过表面处理的碳纤维与树脂形成良好的化学键合,S i元素在复合材料界面区发生偏聚.     

Design of composite flywheel rotor

A design method for a flywheel rotor composed of a composite rim and a metal hub is proposed by studying the connection between the rotor and the driving machine. The influence of some factors such as the rotor material, configuration, connection, and fracture techniques on energy density is analyzed. The results show that the ratio of the inner radius to outer radius of the rim is the key factor, and is determined by the rim material. Optimizing the hub can further efficiently improve energy density. The composite flywheel rotor is produced and its rotation stress has been tested at the speed of 20 krpm. The emulation results are consistent with testing results, which proves that the introduced design method is useful. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2007, 15(6): 852–857 [译自: 光学精密工程]