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。     

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...     

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.     

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。     

轮辐式复合材料飞轮的模态分析

针对轮辐式复合材料飞轮的振动问题,从非线性有限元理论出发,推导了初应力结构的刚度矩阵,从而得到了初应力结构的特征方程。对飞轮的碳纤维复合材料轮缘施加了一定初应力,考虑初应力大小和分布方式两种情况,利用有限元方法对结构模态进行了仿真分析,并对结构的固有频率随初应力变化情况进行了归纳总结。分析结果表明,飞轮的固有频率满足设计要求,施加初应力可以明显降低初阶固有频率,但对高阶固有频率影响不大,设计要综合初应力大小和分布方式的影响。     

不同杨氏模量对复合材料储能飞轮应力及位移影响之比较

对不同杨氏模量对复合材料飞轮的应力、位移分布的影响进行了研究.结合复合材料飞轮转子的结构特点,根据非均质各向异性弹性理论建立计算模型,得到飞轮在工作转速情况下应力和位移计算的解析公式,给出了任一点的径向、环向应力及径向位移.按照所建立的计算模型,讨论了具有不同杨氏模量的复合材料对径向、环向应力和径向位移的影响,仿真分析了复合材料飞轮转子在不同边界条件、几何参数情况下的应力和位移.结果表明:随着角速度从0增大到5 000 rad/s,径向应力、环向应力和径向位移都增大;两种材料径向应力的最大值都出现在飞轮的外缘,最大环向应力都出现在飞轮的内侧;高杨氏模量(Er=100 GPa,Eθ=350 GPa)时的径向和环向应力都要大于低杨氏模量时(Er=20 GPa,Eθ=150 GPa)的情况,而位移则是在低杨氏模量的情况下较大.     

复合材料高速储能飞轮的设计与仿真

设计了一种混合动力汽车飞轮电池复合材料高速飞轮,采用有限法计算、分析了其极限转速和临界转速;用MATLAB／SIMULINK工具建立了能量仿真模型,并进行了能量仿真。     

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。     

复合材料储能飞轮结构强度技术研究进展

飞轮储能技术是一种具有广泛应用前景的先进技术，高强度、低密度的碳纤维、玻璃纤维复合材料是最合适的飞轮制作材料。国外采用先进复合材料试验飞轮边缘速度已超过1000m／s，飞轮储能密度接近360kJ／kg。目前，国内储能飞轮结构强度研究多侧重于理论计算与分析，尚需大力开展先进复合材料高速飞轮的制造工艺与旋转强度试验研究，为先进复合材料飞轮储能技术的工程化、实用化提供必要的实验基础。     

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。     

高速储能飞轮的设计与分析

本文主要分析和解决了用于车辆节能传动系统中的高速储能飞轮旨在追求以高的能量密度为目标的半径比选择、材料选择以及飞轮的尺寸设计等问题,并就储能飞轮的尺寸设计进行了举例说明。为高速储能飞轮的设计与分析提供了依据。     

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。     

周期性复合材料微结构的多目标拓扑优化设计

基于多尺度均匀化方法,以组分材料用量为约束,以等效弹性模量矩阵主对角线上分量的加权组合最大为目标,建立周期性复合材料微结构的多目标优化设计模型。利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,实现微结构的构型优化。研究比较微结构网格粗细、材料组分比对不同目标元素优化结果的影响。通过典型算例验证优化模型和优化算法的有效性。     

储能飞轮的压应力增强技术研究

通过理论计算,研究了采用在飞轮上预制残余应力的方法提高飞轮储能能力的可行性,并采用局部不均匀冷却温度场技术,有效地改变了飞轮中的应力分布状态,提高了飞轮的储能能力。     

磁悬浮飞轮低阶变增益鲁棒控制器设计

介绍了一种能在大转速范围内有效抑制章动,同时克服高频噪声干扰的鲁棒控制方法。该方法利用零极点对造成的相位突变提供章动阻尼,用低通滤波器降低高频增益,通过一种变增益方法使转子在整个转速范围内稳定,并且其鲁棒性可由μ分析方法进行检验。仿真结果表明,此方法能有效解决转子章动问题,是一种容易实现的低阶变增益鲁棒控制方法。     

储能飞轮转子轴承系统动力学设计与试验研究

飞轮储能系统通过飞轮升速和降速来实现电能储存和释放,研究飞轮转子轴承系统固有频率预计、临界转速设计、动平衡等动力学问题。采用永磁轴承与螺旋槽动压轴承的混合支承方式,建立储能飞轮强度、动力学和充放电特性试验研究装置,进行了动平衡、阻尼支承调整、飞轮储能系统损耗和发电量测试等试验,试验飞轮达到设计转速42.0 kr/min,总储能497 W·h,从42.0 kr/min降速到13.8 kr/min,可用放电能达到290 W·h。     

复合材料含损伤结构剩余强度分析

考虑层压结构受冲击后的“花生壳形”分层及分层损伤引起的局部不对称性和耦合效应,并考虑压缩加载过程中可能出现的多层分级屈曲,发展一种计算低能冲击层压板受压剩余强度计算方法。数值分析表明本文的预测结果与试验结果吻合良好。     

复合材料结构振动控制方法研究

从压电材料的非线性本构关系出发,应用Hamilton原理推导含有压电材料复合材料结构的变分方程,并证明对于具有二次本构关系的压电材料可以直接由二次本构关系得到其变分方程,推导出含有二次本构关系压电材料的复合材料结构的有限元动力方程,并提出利用压电材料的非线性进行复合材料结构振动控制的一种新方法.     

基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法

提出一种基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法,首先利用最大应变能准则优化分层厚度,利用库塔条件推导出层合板单元厚度迭代公式优化单元厚度,两步交替进行,完成层板厚度与铺层比例优化;在此基础上采用遗传算法优化层合板铺层顺序,最终设计出满足稳定性要求的最佳层合板铺层.通过算例分析表明,文中方法与传统方法相比收敛速度明显提高.同时,最佳的厚度分布也为层合板加筋设计提供理论参考.     

多片叠合节流阀片的设计及应力分析

通过单片节流阀片力学模型,建立弯曲变形微分方程,利用边界条件得到阀片弯曲变形方程解,再借恒等变形得到阀片弯曲变形精确分析计算公式和弯曲变形系数.然后,通过对叠合阀片弯曲变形和最大应力的分析,得到多片叠合节流阀片当量厚度的计算公式及其所受最大应力与单片当量厚度阀片最大应力之间的关系,并定义阀片应力系数和厚度系数.在此基础上给出按设计厚度要求将节流阀片拆分为n片的设计原则.应用上述方法进行实例设计和应力分析,并利用ANSYSY软件进行仿真.对比结果表明,叠合式节流阀片的设计原则、当量厚度和应力计算方法是准确和有效的.