空心飞轮转子的有限元分析与优化

介绍了飞轮储能系统的结构组成,对飞轮设计中的主要参数进行了分析。应用ANSYS Workbench软件对三种不同形式的空心铝合金飞轮转子模型进行有限元分析,研究网格划分对应力仿真结果的影响,并在15 000 r/min的极限转速下研究三种形式空心飞轮转子的应力、变形分布情况。基于有限元分析结果,对曲线轮辐飞轮进行了优化。     

高温超导磁悬浮储能飞轮轮毂结构的优化设计

针对一种高温超导磁悬浮储能飞轮轮毂结构,论述其优化设计方法,以达到提高储能密度的目标。运用有限元理论建立轮毂结构模型,以拓扑结构优化、材料优选与形状优化的方法对其进行优化。结果表明,在满足强度、一阶弹性共振频率、极转动惯量、几何尺寸、形状和控制系统等多学科约束条件下,轮毂的储能密度比设计方案提高了7.6%。该优化方法提高了转子的设计效率,对飞轮的高速储能有重要意义。     

飞轮储能系统的动力学仿真分析

飞轮储能技术是一种新型的机电能量转换与储存系统,它具有大储能量、高功率、无污染、高效率、适用广、无噪声、长寿命等许多优点,具有广阔的应用前景。采用三维建模软件UG建立飞轮储能系统的三维模型,并且通过大型有限元分析软件ANSYS建立飞轮储能系统的有限元模型,然后对该飞轮储能系统进行模态分析和转子动力学分析,研究并得到飞轮储能系统的固有频率和相应振型、临界转速等动态特性,为飞轮储能系统的设计和结构优化奠定了基础。     

微框架效应磁悬浮飞轮转子轮缘优化设计

基于由磁阻式锥形磁轴承和洛伦兹力磁轴承组成的五自由度微框架磁悬浮飞轮,对转子轮缘进行了优化设计.根据飞轮转子结构特性,提出以质量为优化目标,对轮缘质量、极转动惯量和一阶共振频率等进行理论分析和研究,确定了优化变量.应用优化设计软件iSIGHT集成有限元分析软件ANSYS,采用序列二次规划算法,以一阶共振频率、极转动惯量、最大等效应力、极惯性矩与赤道惯性矩之比等作为约束条件并考虑轮辐根数对轮缘质量的影响,对轮缘进行了优化计算,得到了相关变量的最优化结果.结果表明,其他变量最优、轮辐根数为3时,轮缘具有最小质量为2.036 kg,比初始质量2.226 kg减小了8.54％.提出的优化方法提高了转子设计的合理性和效率,对飞轮系统整体优化设计具有重要意义.     

功能梯度材料飞轮转子优化设计

功能梯度材料(Functionally graded materials,FGMs)是一种材料属性在空间位置上连续变化的新型材料。与均匀材料相比,高速储能飞轮转子采用FGMs可以有效地减少应力集中,充分发挥材料性能,从而改善转子的工作性能。针对飞轮转子轴向厚度相对较厚时平面应力方法误差较大的问题,通过将转子离散为有限个等厚匀质微环的方法,推得变厚度FGMs飞轮转子的三维半解析解——修正平面应力(Modified plane stress,MPS)解,并采用有限元法验证其精确性。应用序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)优化方法,以飞轮转子的厚度、材料体积分数和转速为设计变量,以最大化转子的储能密度为目标函数,对FGMs飞轮转子的形状和材料分布进行优化设计,并分析材料性能参数对结果的影响。计算结果表明,合理的转子形状与材料分布可以使转子应力分布更加均匀,大大提高飞轮的储能性能。     

混合动力汽车用超高强度钢材质飞轮电池转子的优化

分析了目前混合动力汽车常用的储能方式的特点及其存在的问题,指出飞轮电池在混合动力汽车中具有良好的前景。通过对比分析认为在20 000 r/min转速下,超高强度钢飞轮转子相比复合材料飞轮转子有较好的综合性优势。建立了超高强度钢飞轮优化设计的数学模型,利用该模型并借助Matlab计算了飞轮基本参数,进一步基于Abaqus有限元分析软件,优化出储能1 kW.h的飞轮转子的机械结构;优化后的结果满足混合动力汽车应用的要求。     

磁悬浮飞轮转子优化设计与实验

以一种额定转速为5000r/min,额定角动量为50Nms的磁悬浮飞轮转子系统为对象,对混合离散变量非线性优化问题进行了研究。建立了飞轮转子的优化模型,并改进了传统的优化设计方法。采用针对离散变量的全域遍数法,嵌套连续变量的序列二次规划法,对转子系统进行优化设计。在此基础上,考虑转子质心与磁轴承几何中心距离,对转子进行二次优化。结果显示,轮辐为5根时,转子质量达到全域最小,约为7.25kg。根据优化结果研制了一台磁悬浮飞轮,并对优化模型的谐响应分析结果进行实验验证,两者最大误差为2.2%。     

基于复合形法的飞轮转子储能优化设计

储能密度是储存能量的主要技术指标,优化飞轮的重要目的就是提高其储能密度。本文建立了一种储能优化模型,应用平面应力分析,利用复合形法的原理和MATLAB软件,取得飞轮转子内外半径值的一组优化参数,结果是飞轮电池转子储能密度相比优化前增加一倍。这对提升飞轮储能密度、减少飞轮失效、提高飞轮使用寿命具有重大意义。     

磁悬浮飞轮转子系统动态试验分析

以600 Wh飞轮储能系统为研究对象,为计算飞轮转子系统的临界转速分布及评估在高转速下运动稳定性,采用SolidWorks进行三维建模并导入有限元软件SAMCEF Rotor求解其临界转速和模态振型。对飞轮储能系统进行升降速试验采集动态试验数据并通过时域图、频域图、轴心轨迹图进行分析。将有限元分析与试验数据进行对比,结果表明:飞轮转子系统在临界转速时振幅明显大于稳定转速时,在工作转速中,轴心轨迹重复性较好,没有超过气隙值0.3 mm,稳定性良好,为不同储能飞轮转子的改善和设计提供参考和依据。     

转动惯量比对飞轮转子系统稳定性影响

飞轮转子系统的结构布局对其高速旋转的稳定性有至关重要影响,以600Wh飞轮储能转子系统作为研究对象,通过建模及理论分析得到了转动惯量比与旋转运动稳定性之间存在的关系,采用转子动力学专业分析软件SAMCEF Rotor分析了两种不同转动惯量比转子的涡动频率振型,临界转速等。有限元分析结果和理论建模分析结果互为验证,结果表明:当转动惯量比接近1时,对工作转速超过一阶临界转速的飞轮转子系统,转动惯量比小于1时稳定性较转动惯量比大于1时更有优势,研究结果对以后大容量飞轮储能转子系统结构设计有重要参考依据。     

基于最优控制理论的储能飞轮转子形状优化设计研究

为克服飞轮转子形状优化时一般优化方法效率低的缺点,在分析角速度对转子形状影响的基础上,将转子角速度划分为低速、中速和高速三个阶段,采用最优控制理论,直接得到实心和空心飞轮转子的最优形状解析表达式。通过比较实心和空心转子低速、中速和高速情况下的最优形状,揭示飞轮转子最优形状随角速度变化的规律。研究结果表明,低角速度下,转子的最优形状沿半径方向"内薄外厚";高角速度下,"内厚外薄";中等角速度下,"两端厚中间薄"。低角速度情况下,实心和空心转子的最优形状相同;但中、高速情况下,实心转子的最优形状中包含等应力弧段,而空心转子的最优形状中不包含等应力弧段。由于实心转子的最优形状中包含有等应力弧段,实心转子的储能性能更优于空心转子。     

基于ANSYS的复合材料飞轮系统模态分析

储能飞轮系统在工程中应用广泛,由于飞轮系统转速较高,因此对飞轮系统进行模态分析是非常必要的。利用有限元分析软件ANSYS对复合材料飞轮系统进行模态分析,得到了飞轮的固有频率与模态振型,为飞轮系统的结构设计与优化以及振动特性研究提供了有效的依据。     

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。     

储能飞轮转子的研究现状与进展

储能飞轮系统是高效、环保的新型能源技术,广泛应用于电动汽车、通信、风力发电、智能电网、航空航天等工程领域,是具有发展前景的能源技术.文中综述了储能飞轮系统在工程中的应用,介绍了飞轮转子在材料选择、转子形状以及加工制造工艺等方面的发展.     

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。     

飞轮储能系统推力盘布局优化分析

基于600 Wh飞轮储能系统对现有结构进行结构布局优化,提出了2种针对推力盘安装位置不同的飞轮储能系统的结构布局,利用ANSYS Workbench对3种结构进行结构力学分析。结果表明:吊装式结构的飞轮储能系统力学性能最差,嵌式结构的飞轮储能系统力学性能最好,夹式结构介于两者之间。这为今后的飞轮转子系统结构设计提供了参考与指导。     

反作用飞轮结构的动态优化设计

在综合考虑飞轮执行机构的动量容量、输出力矩、质量、体积、功耗、成本及复杂性等因素的基础上，基于优化设计软件ISIGHT及结构有限元分析软件ANSYS，对基于磁悬浮轴承技术的反作用飞轮的结构外形尺寸进行动态优化设计，在确保反作用飞轮结构在给定设计转速下能达到一定的角动量，同时满足结构强度、刚度、形态等方面的要求的前提下，使反作用飞轮的质量最小，优化结果令人满意。设计思路和方法可以用于系列反作用飞轮结构的设计和研制。     

Enhancement of wind turbine aerodynamic performance by a numerical optimization technique

Sectional aerodynamic design optimization was performed to enhance the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine rotor blades based on a computational fluid dynamics technique. The proposed sectional optimization framework consists of airfoil section contour modeling by the PARSEC shape function and a modified feasible direction search algorithm. To enhance the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades, the objective of the design framework was set to maximize the lift-over-drag ratio for each design section. A two-dimensional Navier-Stokes flow solver coupled with a transition turbulence model was used to evaluate the aerodynamic performance during the iterative design optimization procedure. The sectional flow conditions were extracted from the flow of a three-dimensional rotor blade configuration. The design framework was applied to the National Renewable Energy Laboratory Phase VI rotor blade. The design optimization was conducted at nine spanwise sections of the rotor blade. To validate the present methodology, the aerodynamic performances of the original baseline rotor and the rotor after the design optimization were compared by using a three-dimensional Navier-Stokes flow solver. It was found that approximately 11% of torque enhancement was achieved after the aerodynamic shape design optimization.     

基于数值模拟的锻造预成形优化设计系统集成

净形和近净形制造要求锻造预成形设计不仅要实现产品的形状,而且要实现材料、能耗、锻件质量等目标优化。仅仅依靠经验已不可能达到优化设计的要求,必须借助于数值模拟结果中包含的丰富的信息来指导设计。本文提出了基于数值模拟的锻造预成形优化设计系统框架,针对现有的设计和分析工具功能强大却相对独立的特点,提出了可实现预成形优化设计的设计和分析工具集成的方法。