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。     

高储能飞轮转子动态特性及应力分析

对多层复合材料飞轮进行动态特性及应力有限元分析,研究其固有频率、应力以及位移分布。结合复合材料飞轮转子的结构特点,建立基于各项异性对称结构理论的计算模型,得到飞轮转子在工作转速下应力和位移的解析公式。建立飞轮转子有限元分析模型,对飞轮转子轮缘任一点的径向、环向应力及动态特性进行较为全面的仿真分析。结果表明,应力结果的安全系数和动态分析的固有频率均满足设计要求。该分析结果可为飞轮的设计制造提供重要参考。     

飞轮储能系统转子静力学分析

能源存储是高效利用能源的重要途径。飞轮储能系统由于具有环境友好、功率密度高、储能密度大等特点而广泛应用。利用ANSYS Workbench建立了飞轮转子的有限元计算模型,对不考虑永磁体作用于转子内壁和考虑永磁体作用于转子内壁两种情况下的飞轮转子进行静力学仿真分析,研究了飞轮转子径向位移、径向应力和环向应力的分布规律,对飞轮储能系统的设计与优化提供依据。     

复合材料储能飞轮转子的设计

当转子的最大环向应力和最大径向应力同时达到它们各自方向上的强度时,可以得到最优内外径比.基于该设计理念对影响飞轮储能密度的复合材料轮缘内外径比λ进行设计,并选用各向异性材料碳纤维环氧树脂复合材料、玻璃纤维环氧树脂复合材料及各向同性材料高强铝合金为飞轮转子材料进行最大边缘线速度及最大单位质量储能的比较,结果表明:碳纤维环氧树脂复合材料所设计的飞轮转子单位质量储能最高,体积最小,边缘线速度最大.     

复合材料飞轮多层过盈分析

利用ANSYS Workbench软件对某多层复合材料飞轮的不同过盈工况进行有限元分析,得出不同过盈工况下复合材料飞轮的径向应力及环向应力情况。结果表明多层复合材料飞轮的过盈设计对其应力分布不均匀性具有重要影响,从而为多层复合材料飞轮的设计提供了一种有效的分析计算方法。     

过盈装配的金属轮毂-复合材料飞轮转子

针对一种高储能密度超导磁悬浮储能飞轮,设计了一种由磁轴承、金属轮毂和3个复合材料圆环过盈装配而成的飞轮转子.通过加入金属轮毂来改善转子的应力分布、减小转子的径向应力,保证转子在高速转动状态下磁轴承和复合材料圆环之间的连接强度.转子圆环之间通过过盈装配提供初始压应力,以避免转子在高速转动时发生分层破坏;采用平面应力解析法和有限元法建立转子的应力分析模型,研究了金属轮毂、复合材料圆环厚度和环间过盈量对转子应力分布和强度的影响.最后,提出了转子的优化设计方案.实验结果显示,转子的额定转速达到50 000 r/min,储能总量为1 110 Wh,储能密度达到40Wh/kg.研究结果表明:加入金属轮毂、增大复合材料外环的厚度以及中环和外环的环间过盈量,可以提高转子的强度、极限转速和储能密度.     

基于圆柱型复合材料轮缘的有限元分析

采用缠绕技术成型的圆柱型复合材料的径向强度较低,因此复合材料轮缘的径向应力分布对飞轮转子的性能起到了重要作用。过盈装配的多环结构轮缘可以改善转子径向应力的分布。文中采用三维有限元方法分析了16 000 r/min的转速下,多环结构轮缘的环数、各环厚度分布以及锥度大小和方向对轮缘径向应力分布的影响。数值模拟结果为复合材料轮缘的结构设计提供了参考。     

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。     

SiC/Ti55复合材料残余应力的研究

采用ANSYS有限元法计算了SiC/Ti55复合材料中的残余应力,分析了不同纤维体积分数下纤维中径向、轴向和环向残余应力的大小和分布。结果表明,径向和轴向残余压应力均随纤维体积分数的增大而减小;环向残余应力在纤维内部为压应力,表面附近为拉应力,且纤维体积分数越高,表面环向拉应力越大。     

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。     

飞轮储能磁轴承系统结构及其悬浮特性

介绍了一种由径向永磁轴承与电磁推力轴承组成的单轴主动控制的飞轮储能磁轴承系统结构 ,径向永磁轴承提供径向恢复力与轴向悬浮力 ,电磁推力轴承提供轴向恢复力。并对系统的结构参数计算及其磁悬浮特性进行了分析与讨论。研究结果表明 ,永磁轴承动、静磁环轴向位移对系统承载力与刚度有明显影响 ,采用多对磁环永磁轴承 ,有利于提高系统承载力与径向刚度     

复合材料环向缠绕飞轮轮体工艺应力研究

在平面应力微分方程中考虑温度影响,可以得到复合材料轮体在制造和使用过程中更真实的应力应变情况。计算结果表明常规固化降温过程产生的应力足以使厚壁圆筒开裂。为解决复合材料环向缠绕飞轮在固化以及旋转时径向强度不足的难题,文中提出采用纤维加力缠绕施加径向压预应力,配合及时在线电子束固化的新工艺方法。将新方法中的加力缠绕过程等效为薄层过盈配合,统一加力缠绕和过盈配合两种制造方法以及后续升降温和旋转等工况下的计算问题。最后编制Matlab程序,给出算例,结果表明新工艺方法对径向应力改善明显。     

复合材料飞轮断裂与损伤的研究

用有限元方法分析复合材料飞轮在高速旋转时径向应力与环向应力的分布情况,预测飞轮的极限转速及损伤与断裂形式,同时用实验的方法进行验证,实验所得结果与有限元分析结果具有很好的一致性。     

三维编织复合材料高速飞轮的极限转速

通过对三维编织复合材料圆柱型结构进行应力分析，对三维编织复合材料高速飞轮的极限转速进行了理论推导和数值计算。结果表明，在保证强度的前提下，三维编织复合材料飞轮能够达到很高的极限转速，完全能够满足飞轮电池的储能使用要求。     

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.     

发动机飞轮的动态优化设计

飞轮是发动机中有重要作用但结构形状相对简单的零件之一。为了保证飞轮有足够的转动惯量、足够的刚度和强度，并使飞轮在满足设计要求的前提下质量尽可能小，这里利用有限元分析软件ANSYS对某飞轮进行了参数化建模，动态地分析了飞轮的应力场与位移场，并对飞轮的主要尺寸进行了动态优化设计。