复合材料飞轮转子的失效分析与强度预测

发布时间：2017-05-01 04:09

  本文关键词：复合材料飞轮转子的失效分析与强度预测，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着国际能源形势紧张和环境问题日益突出，人们对新能源的需求越来越迫切。复合材料飞轮储能系统具有储能密度高、比强度高、寿命长等优点，在航空航天、新能源汽车等方面得到了越来越广泛的应用。由于复合材料飞轮转子的结构设计是复合材料飞轮储能系统的关键技术之一，因此，对复合材料飞轮转子进行失效分析和强度预测具有重要的工程意义。 基于三维逐渐损伤理论和材料刚度退化准则，本文针对两类常用的复合材料飞轮转子：纤维缠绕复合材料飞轮转子和多环过盈装配复合材料飞轮转子，在验证了采用ANSYS对其进行力学分析正确性的基础上，采用ANSYS参数化设计语言APDL分别建立了参数化损伤模型，并分别进行三维逐渐损伤过程的可视化模拟和强度预测，具体的研究内容如下。 （1）对于纤维缠绕复合材料飞轮转子，在分别验证采用ANSYS分析缠绕过程中施加预紧力时复合材料飞轮转子初应力分布的正确性以及三维损伤计算模型的正确性之后，采用APDL建立了纤维缠绕复合材料飞轮转子的参数化损伤模型，并进行了损伤过程的可视化模拟和强度预测，得到了复合材料飞轮转子的初始失效转速和最终失效转速，同时讨论了缠绕预应力和缠绕层数对飞轮转子失效过程的影响。计算结果表明，纤维缠绕复合材料飞轮转子的失效过程为：飞轮转子首先在中部发生基体拉伸开裂失效，随着转速的增加，在转子的外径处发生纤维拉伸断裂，导致飞轮发生爆破失效，并且飞轮的最终失效转速要远高于初始失效转速。当缠绕层数不变时，，增加缠绕预应力能提高飞轮转子的初始失效转速，但对最终失效转速没有影响；当缠绕预应力不变时，增加缠绕层数，对飞轮转子的初始失效转速没有影响，而最终失效转速却随着缠绕层数的增加而改变，但变化幅度很小。 （2）对于多环过盈装配复合材料飞轮转子，在分别验证采用ANSYS分析两环过盈装配复合材料飞轮转子初应力分布的正确性以及三维损伤计算模型的正确性之后，采用APDL建立了多环过盈装配复合材料飞轮转子的参数化损伤模型，在考虑三种不同最终失效形式的基础上进行渐进损伤过程的模拟和强度预测，得到了复合材料飞轮转子的初始失效转速和最终失效转速，同时讨论了过盈量和装配环数对飞轮转子失效过程的影响。计算结果表明，当过盈量不同时，飞轮转子的最终失效形式也不相同。当装配环数不变时，飞轮的最终失效转速随着过盈量的增大呈现先增大后减小的趋势，并且过盈量存在一个相对优化值；在过盈量不变的情况下，当过盈量较小时，随着装配环数的增加，飞轮的最终失效转速随之增大；当过盈量较大时，随着装配环数的增加，飞轮的最终失效转速反而减小，甚至在静止状态下直接发生纤维压缩断裂失效。
【关键词】：复合材料飞轮转子 三维逐渐损伤 刚度退化 纤维缠绕 多环过盈装配
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB33;TH133.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 1 引言11-23
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 飞轮储能原理及关键技术分析13-17
• 1.2.1 飞轮储能原理13-14
• 1.2.2 关键技术分析14-17
• 1.3 国内外研究现状17-21
• 1.3.1 国外研究现状17-20
• 1.3.2 国内研究现状20-21
• 1.4 本文主要研究内容及创新点21-23
• 1.4.1 本文主要研究内容21-22
• 1.4.2 本文主要创新点22-23
• 2 复合材料飞轮转子的静力学分析及有限元法的应用23-30
• 2.1 单层圆环复合材料飞轮转子的解析应力分析23-26
• 2.2 多环过盈装配复合材料飞轮转子的解析应力分析26-28
• 2.3 有限元法的基本原理及 ANSYS 在复合材料飞轮中的应用28-30
• 2.3.1 有限元法的基本原理28-29
• 2.3.2 ANSYS 在复合材料飞轮中的应用29-30
• 3 三维逐渐损伤理论的研究30-35
• 3.1 失效准则的选取30-32
• 3.2 材料刚度退化准则的选取32-33
• 3.3 复合材料飞轮转子累积损伤分析流程33-35
• 4 纤维缠绕复合材料飞轮转子的渐进失效分析35-55
• 4.1 验证 ANSYS 分析纤维缠绕复合材料飞轮转子初应力分布的正确性35-39
• 4.1.1 验证模型35-37
• 4.1.2 结果对比分析37-39
• 4.2 纤维缠绕复合材料飞轮转子的渐进失效分析39-49
• 4.2.1 建立几何模型及确定材料参数39-40
• 4.2.2 模拟单元的选取及有限元模型的建立40-41
• 4.2.3 模型的验证41-42
• 4.2.4 缠绕预应力为 0MPa 时复合材料飞轮转子的渐进失效分析42-46
• 4.2.5 缠绕预应力对 20 层纤维缠绕复合材料飞轮转子失效过程的影响46-49
• 4.3 不同缠绕预应力和缠绕层数对纤维缠绕复合材料飞轮转子失效过程的 影响49-54
• 4.4 小结54-55
• 5 多环过盈装配复合材料飞轮转子的渐进失效分析55-78
• 5.1 验证 ANSYS 分析多环过盈装配复合材料飞轮转子初应力分布的正确性55-61
• 5.1.1 模型验证55-57
• 5.1.2 结果对比分析57-61
• 5.2 两环过盈装配复合材料飞轮转子的渐进失效分析61-67
• 5.2.1 材料的选取和模型的确定61
• 5.2.2 选取单元和建立有限元模型61-62
• 5.2.3 模型验证62
• 5.2.4 两环过盈装配复合材料飞轮转子的渐进失效分析62-65
• 5.2.5 过盈量对两环过盈装配复合材料飞轮转子渐进失效过程的影响65-67
• 5.3 装配环数和过盈量对多环过盈装配复合材料飞轮转子失效过程的影响67-76
• 5.3.1 多环过盈装配复合材料飞轮转子的尺寸表68
• 5.3.2 多环过盈装配复合材料飞轮转子失效结果分析68-76
• 5.4 小结76-78
• 6 结论与展望78-81
• 6.1 结论78-79
• 6.2 展望79-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：338190