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.     

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。     

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。     

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.     

基于能量守恒的机械零件可靠性模糊多目标优化方法研究

多目标优化中各子目标函数权值分配应采用动态变化的赋值方法，并且应将基于有效解的常规多目标优化模型拓展为基于软计算满意解的模糊多目标优化模型。从能量守恒与转化以及系统论方法的角度，对多目标优化进行了阐述。利用模糊集理论中隶属函数的特性，将各子目标函数模糊化处理为满意度函数，建立了广义均匀定常满意度函数场下的模糊多目标优化的能量关系模型，提出了由协调校正权函数、广义有势力函数构成的多目标满意解总评价函数的方法。给出机械零件可靠性多目标满意解优化实例，进行可行性验证。     

小卫星用反作用飞轮系统设计

考虑小卫星用反作用飞轮系统小型化的要求,提出了飞轮电机体积最小时的电枢尺寸确定方法,并设计了一种定子无铁芯式反作用飞轮系统。为防止磁路饱和,将多学科优化设计方法应用于飞轮转子结构和电机磁场联合设计中,并采用外罚函数法及序列二次规划算法(SQP)组合优化策略对飞轮系统进行多目标优化设计。选取飞轮转子质量最小和电机气隙磁通密度最大为优化目标,以最大等效应力、一阶共振频率、极转动惯量、磁饱和等作为约束条件,将iSIGHT软件作为优化平台,集成有限元软件ANSYS实现了优化过程,最后依据优化结果制造出飞轮样机。优化结果表明,优化后飞轮转子质量由0.73kg减小到0.67kg,减小了8.22%,气隙磁通密度由0.376T增大到0.401T,增大了6.65%。设计的优化方法提高了飞轮设计的合理性,推动了飞轮系统的小型化研究。     

锤片式粉碎机主轴机构的多目标优化

通过对锤片式粉碎机转子的工作特性进行分析,构建了转子主轴应力及应变优化数学模型。运用Solidworks软件构建锤片式粉碎机转子的结构模型,同时以主轴最大应力与最大应变为目标函数,提出了3种多目标优化方案,在满足主轴机构尺寸约束的情况下,提出利用ANSYS Workbench软件对主轴进行优化的思路。优化后,分别将3种方案的优化结果与原方案进行对比分析,选出最优方案,使转子主轴最大应力与最大应变较初始值设计都得到了一定程度的降低,达到了改善粉碎机结构性能的目的。     

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。     

基于BESO方法的连续体结构动态特性多目标拓扑优化

为实现动态多目标下的拓扑优化结构设计,以结构动柔顺度最小化和固有频率最大化加权函数为目标,提出基于双向渐进结构优化方法(Bi-direction Evolutionary Structural Optimization, BESO)的连续体结构动态特性多目标拓扑优化方法。基于等效静载荷法(Equivalent Static Loads, ESL),将结构动刚度优化问题转化为多工步载荷作用下的线性静刚度优化问题,结合BESO方法实现结构多工况线性静态优化。分别归一化目标函数和灵敏度,避免不同性质目标函数及灵敏度的量级差异引起的数值奇异性。数值算例结果表明,结构体积约束、频率与动柔顺度综合目标均能渐进收敛于最优目标值,优化结构具有清晰的拓扑构型。随着柔顺度灵敏度、权重因子的减小,优化结构拓扑形式发生显著变化,其动刚度逐渐减小,而固有频率逐渐增加。所提出的频率-动刚度多目标拓扑优化方法能够提高结构动态特性,拓展了BESO方法对结构动力学拓扑优化问题的应用范围。     

太阳能汽车续航模型及光储优化配置方法

针对太阳能汽车中能量系统投资成本和续航能力的矛盾问题,同时为了实现太阳能汽车光储容量配置方法,对太阳能汽车中光伏电源、储能系统和主要负荷的特性进行了研究,采用通用光储混合能量系统结构为对象,建立了光储容量优化配置模型,提出了一种基于NSGA-II多目标优化算法的太阳能汽车光储容量优化配置方法。建立了太阳能汽车续航能力计算模型,用于分析该容量配置方法的效果。利用NSGA-II多目标优化算法对光伏电源和储能系统容量进行了求解,得到了满足能源系统成本与续航能力优化目标的配置方案。通过算例求解了光储容量配置方法最优解集,针对具体工程案例优化了配置方案并对该配置方案进行了分析。结果表明:该太阳能汽车续航模型的准确性和光储容量优化配置方法的有效性、可靠性。     

燃料电池离心压缩机转子多目标结构优化设计

针对车用燃料电池离心压缩机转子振动、强度和轻量化的结构设计问题,实现了多目标带约束的燃料电池空压机转子结构优化设计方法。针对某燃料电池离心空压机转子,基于不平衡力的谐响应分析获得转子样本的结构性能目标参数,运用神经网络程序建立有限元分析近似模型,以转子结构在150%设计转速范围内最大等效应力和挠度为目标、转子质量为约束,运用多目标灰狼算法程序进行了转子结构设计的多目标全局寻优。结果表明：描述性能目标与设计变量关系的神经网络近似模型准确度较高,与有限元计算所得性能目标的最大误差均小于8%,优化计算找到了压缩机转子在质量约束下的最优构形参数;优化后转子在前两阶临界转速附近的最大等效应力和最大挠度显著降低,转子的最大等效应力下降46.3%,最大挠度下降7.35%。     

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。     

微框架效应磁悬浮飞轮转子轮缘优化设计

基于由磁阻式锥形磁轴承和洛伦兹力磁轴承组成的五自由度微框架磁悬浮飞轮,对转子轮缘进行了优化设计.根据飞轮转子结构特性,提出以质量为优化目标,对轮缘质量、极转动惯量和一阶共振频率等进行理论分析和研究,确定了优化变量.应用优化设计软件iSIGHT集成有限元分析软件ANSYS,采用序列二次规划算法,以一阶共振频率、极转动惯量、最大等效应力、极惯性矩与赤道惯性矩之比等作为约束条件并考虑轮辐根数对轮缘质量的影响,对轮缘进行了优化计算,得到了相关变量的最优化结果.结果表明,其他变量最优、轮辐根数为3时,轮缘具有最小质量为2.036 kg,比初始质量2.226 kg减小了8.54％.提出的优化方法提高了转子设计的合理性和效率,对飞轮系统整体优化设计具有重要意义.     

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。     

考虑屈曲约束的无铰链多输入多输出柔性机构拓扑优化设计方法

针对柔性机构的稳定性要求,基于Heaviside三场映射方案和柔顺度变化率约束措施,研究了屈曲约束下无铰链多输入多输出柔性机构柔度最小化的拓扑优化问题。首先,为解决低密度单元引起的伪屈曲模态和计算效率等问题,构建了单元刚度矩阵和应力矩阵的光滑惩罚函数,提出了解决低阶伪屈曲模态问题的综合措施。其次,结合Pian混合应力单元公式、凝聚函数法、Heaviside三场映射方案和柔顺度变化率约束措施,构建了考虑屈曲的无铰链多输入多输出柔性机构拓扑优化模型。而后,推导了目标函数和屈曲约束的灵敏度,并利用MMA(Method ofMoving Asymptotes)算法进行优化求解。最后,给出的数值算例,说明了此方法的可行性和有效性。     

基于性能稳健偏差的区间型参数稳健设计优化

提出了基于系统性能稳健偏差的稳健设计优化方法。该方法针对区间型参数非梯度性能函数的稳健设计问题，应用性能稳健偏差概念评估目标性能函数和约束性能函数的稳健性，形成了三层次稳健设计优化模型：①搜索优化设计点；②迭代策略搜索设计点的目标函数和约束函数的稳健偏差；③优化寻求给定性能偏差所对应的稳健性指数。该方法可获得同时满足约束条件和目标值稳健性要求的优化设计，并输出目标值及其稳健偏差。用三杆桁架结构稳健设计优化说明了该方法的用法和特点。     

600Wh飞轮转子形状优化设计

介绍了极限转速为15000r/min,储能量为600wh的空心飞轮转子的优化设计方法,根据飞轮储能系统设计要求利用三维软件SolidWorks对飞轮模型进行建模与有限元软件ansys workbench进行仿真分析与优化,首先进行初步建模,然后通过改变其模型轮辐曲线找到更优的飞轮形状并提取其轮辐曲线的结构参数,再通过多目标遗传算法对飞轮转子进行优化设计及研究,以飞轮质量更轻,极转动惯量更大以及应力应变更小为约束条件,提取其飞轮结构几何尺寸为设计变量进行优化,得出一种更优的飞轮结构形式。结果表明,优化后得到的飞轮转子形状较原模型相比性能更佳。     

基于产品性能-成本-交货期的多目标优化配置研究

产品优化配置是实现用户个性化选择和批量低成本生产有机结合的有效方法。本文针对产品优化配置中多约束、多目标及组合优化等特性,应用模糊数学理论,构建了以产品性能-成本-交货期为目标函数的多目标优化模型,并采用多目标差异演化算法(MODE)对三者进行并行优化。得到一系列满足基于Pareto优化解的配置方案以满足不同客户对产品性能、制造成本及交货期的要求,解决了客户基于不同侧重点对产品设计结果的选择。通过实例论证,验证了该方法的有效性和适应性。     

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。