高速复合材料飞轮转子结构设计及工艺优化

发布时间：2017-04-30 16:12

  本文关键词：高速复合材料飞轮转子结构设计及工艺优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞轮储能是一种高效、清洁、环境适应性强的储能手段，利用高速旋转的飞轮转子把能量以机械能的方式储存起来，待需要时释放机械能实现能量输出。目前已应用于航空航天、电力调峰、汽车动力补偿等诸多领域。 5kWh储能飞轮一般应用于卫星、海上灯塔、汽车等设施上提供能量，所以结构尺寸及重量不宜过大，这样就对转速要求较高。飞轮高速旋转时的边缘线速度很大，普通金属承受不了如此大的周向应力，所以选择纵向拉伸模量很高的碳纤维T700/环氧树脂复合材料作为轮缘材料，轮毂材料为铝合金7075。飞轮在高速旋转时往往会由于径向压应力不够导致飞轮轮毂与轮缘发生脱离，致使飞轮失效，可以通过两种制备手段来提高飞轮的径向强度：一是采用张紧力缠绕复合材料飞轮转子；二是采用多环过盈套装方法。 本文针对5kWh飞轮的用途和储能量的要求，给出设计结构及尺寸，内径50mm，外径265mm，飞轮转子总质量100kg，储能密度50Wh/kg，额定转速29751rpm，额定储能量5kWh。利用有限元软件ANSYS对设计出的飞轮转子进行静止和转动状态的应力应变分析，模拟飞轮正常充放电过程，通过接触面节点位移和接触面径向应力的分析，对飞轮是否失效作出判断。 采用有限元方法，根据复合材料飞轮轮缘实际制备工艺条件，对飞轮转子轮缘的层与层之间的过盈量进行模拟优化，计算出满足飞轮转子强度及储能要求的最优过盈量。设计飞轮转子复合材料三环过盈套装工艺，确定复合材料轮缘三种不用的分层工艺参数，比较飞轮旋转时应力和位移大小，通过计算分析得到最优的分层结果。最后通过转子的不平衡精度等级给出飞轮转子所需的修正离心力；通过模态分析，给出飞轮转子的固有频率及前七阶阵型图，并验证复合材料飞轮转子在额定转速时的服役安全性。
【关键词】：复合材料 储能飞轮转子 过盈 有限元法 模态分析
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 飞轮储能概述11-15
• 1.2.1 飞轮储能系统的结构与原理12-13
• 1.2.2 飞轮储能系统的应用领域13-15
• 1.3 国内外飞轮储能系统的研究进展15-18
• 1.3.1 国外对飞轮储能系统的研究进展15-17
• 1.3.2 国内对飞轮储能系统的研究进展17-18
• 1.4 有限元法在设计中的应用18-24
• 1.4.1 有限元软件 ANSYS 简介19-23
• 1.4.2 非线性有限元分析在设计中的应用23-24
• 1.5 本文的主要研究内容24-25
• 第2章 复合材料飞轮转子的设计方案25-34
• 2.1 复合材料飞轮转子的性能要求25-26
• 2.2 复合材料飞轮转子的选材26-29
• 2.2.1 铝合金的材料性能26-27
• 2.2.2 碳纤维的材料性能27-28
• 2.2.3 环氧树脂的材料性能28-29
• 2.3 复合材料飞轮转子的制备29-31
• 2.3.1 轮毂的制备29
• 2.3.2 轮缘的制备29-31
• 2.4 复合材料飞轮转子缠绕应力分析31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 复合材料飞轮转子的结构设计34-53
• 3.1 飞轮转子的结构设计34-39
• 3.1.1 在 ANSYS 下的建模36-38
• 3.1.2 约束及边界条件38-39
• 3.2 轮缘制备工艺对应力分布影响39-42
• 3.2.1 初步设计方案验证39-40
• 3.2.2 张紧力的影响40
• 3.2.3 固化成型工艺的影响40-41
• 3.2.4 过盈量的影响41-42
• 3.3 飞轮转子静止时应力应变分析42-46
• 3.4 飞轮转子转动时应力应变分析46-52
• 3.4.1 额定转速下的分析46-50
• 3.4.2 飞轮充放电时应力应变分析50-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 复合材料飞轮转子结构优化设计53-65
• 4.1 过盈量优化53-55
• 4.2 飞轮转子结构优化55-60
• 4.2.1 飞轮转子静态分层优化55-57
• 4.2.2 飞轮转子转动时分层优化57-60
• 4.3 飞轮转子的安全性60-64
• 4.3.1 动平衡60-61
• 4.3.2 模态分析61-64
• 4.4 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：高速复合材料飞轮转子结构设计及工艺优化，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：337175