复合材料飞轮转子成型工艺的有限元模拟

飞轮转子是飞轮储能系统(FESS)中的重要部件。飞轮转子的材料、几何形状和制造工艺等关键因素都会对FESS的性能产生直接的影响。采用三维有限元方法,分析了金属轮毂与纤维缠绕成型的复合材料轮缘结构的飞轮转子,在16 000 r/min的转速下,转子材料、轮毂与轮缘的安装方式以及缠绕角对金属轮毂Von Mises等效应力分布和复合材料轮缘径向应力分布的影响。根据分析结果,确定了复合材料飞轮转子的制造工艺:T800H碳纤维复合材料轮缘在7050铝合金轮毂上直接缠绕成型,飞轮转子能够正常工作。     

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.     

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,以储质量储能密度(EPM)、成本储能密度(EPC)为目标,探讨多层复合材料飞轮优化问题.仿真分析验证了应力计算方法的合理性和FAGA算法的寻优能力,揭示了应力约束、质量约束及设计目标对内外径比、转速、EPM、EPC的影响规律.     

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。     

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。     

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。     

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。     

储能飞轮转子支撑结构对临界转速影响的分析

针对转子在转动过程中由于转速达到临界转速分布范围而产生剧烈振动的现象,分析了储能飞轮转子支撑结构对临界转速的影响。建立转子系统的数学模型,基于ANSYS Workbench有限元软件对转子的三种支撑结构进行模态分析,并对比三种支撑结构下临界转速的分布情况及临界转速对应的振型。分析结果表明,采用电磁轴承处于轴系两端的支撑结构,转子临界转速分布和振动情况变化合理,为后续大容量飞轮储能系统的设计提供了技术参考。     

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。     

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.     

刚性飞轮转子-基础耦合系统的径向振动分析

以600Wh飞轮储能系统为研究对象,建立转子-基础系统的径向耦合动力学方程,通过数值积分法分别分析了不同飞轮转速对基础振动的影响和不同基础径向支承刚度对飞轮转子振动的影响,并采集了飞轮储能系统某一转速下的试验数据,与仿真结果对比,验证仿真结果的准确性。结果表明:定转子在平动和倾斜运动过程中都会受到转子固有频率,定子固有频率,不平衡量三个主要激励,改变飞轮转速或基础径向支承刚度会影响三个激励对应的频率分量和幅值。     

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。     

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。     

基于成本评价和应力分析的飞轮转子优化设计

以飞轮转子工艺特性、结构特性、材料价格为因素,提出一种基于模糊综合评判的复合材料飞轮转子成本评价方法。基于成本评价和应力分析,以单位质量储能量(即储能密度,EPM)、单位成本储能量(EPC)、单位体积储能量(EPV)为目标,提出一种复合材料飞轮转子多目标优化设计方法。为提高较大目标值和降低较小目标值的选取概率,设计了基于正弦函数的优化目标函数,并给出了基于目标函数二次方的多目标优化表达式;为提高安全可靠性,对复合材料应力约束进行了分析,给出了飞轮转子最高转速、最大外径与应力约束极限的关系式。最后,对成本评价和多目标优化方法进行了仿真,验证了所提出方法的有效性。     

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。     

复合材料储能飞轮挠性结构振动的磁轴承控制

储能密度是储能飞轮的重要指标之一,选用碳纤维、玻璃纤维复合材料的储能飞轮可以有效提高储能密度,同时,选用磁悬浮支承则可以适应真空环境及减少损耗。但是,由此也增加了结构的复杂性,例如,连结飞轮转子中金属部件与复合材料之间的挠性薄壳轮毂具有不同于常规刚体飞轮的动力学模型特性。针对薄壳结构的模态振动特征与陀螺效应控制之间的矛盾,描述一种具有挠性结构储能飞轮的磁轴承控制方法。在模态分析的基础上,利用多通道添加相位整形的控制方法有效抑制了系统中的挠性结构的模态振动。试验结果表明,使用所设计的控制器,转子可平稳通过中心频率为340 Hz的轮毂——心轴挠性模态振动区域,运行转速475 Hz(28 500 r/min),轮缘最大线速度达到450 m/s,并成功实现飞轮的充放电过程。     

接触应力对飞轮转子动力特性的影响

飞轮储能系统中转轴与其过盈配合部件之间的接触应力对转子动态特性有十分重要的影响.以600Wh飞轮储能系统为研究对象,通过理论计算得到各配合处过盈量的范围,并运用有限元分析工具AnsysWorkbench建立有限元模型,通过在轴上各过盈配合处设置过盈量,分析了不同过盈量下对转子系统的应力和模态振型的影响.仿真结果表明,过盈量的选取满足系统的性能要求,不同的过盈量对转子系统的模态和应力有很大的影响,接触应力在同类型飞轮储能系统有限元分析时不能忽略.     

飞轮储能系统轴系的优化设计研究

针对采用径向电磁轴承支承的飞轮储能系统中,工作转速会跨越临界转速而造成轴系所受应力强度过大及系统不稳定的问题,对储能飞轮的材料边缘线速度、所受弯曲应力,以及轴系的临界转速等方面进行了研究。对飞轮储能系统中飞轮本体的参数设计要求进行了归纳,提出了一种"以轻量化"为目的,以储能量要求、材料边缘线速度要求,轴系许用弯曲应力和工作转速与临界转速要求为约束条件的优化设计方案。研究结果表明,所得到的飞轮本体参数满足实际运行的需求,且为满足运行需求方案中质量最轻的方案。     

飞轮储能系统转子动力学分析

文中对储能飞轮转子支撑系统的转子动力学问题进行了研究,推导出各部件的动能、势能和耗散函数,基于拉格朗日方法建立飞轮转子支撑系统的动力学数学模型,并进行求解。采用ANSYS软件对其进行临界转速及不平衡响应求解,并分析磁轴承刚度和阻尼对飞轮转子动态特性的影响。结果表明:系统临界转速均在工作转速范围之内,磁轴承刚度和阻尼的增加有利于系统的稳定,且系统在启动过程中受到不平衡激励时状态趋于稳定。