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.     

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.     

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。     

混合动力汽车电机转子强度分析及寿命计算

某混合动力汽车电机转子的转轴与硅钢片之间采用了过盈装配。为研究该装配工艺的结构可靠性,通过CAE方法分析转子结构的装配应力,并进行疲劳寿命计算。对比相同结构采用间隙与过盈装配后的应力计算结果,发现合理的过盈量选择,可降低转子结构在不同转速下的应力波动。深入分析表明,离心应力波动较大的旋转构件,可在径向方向引入过盈装配,提高装配件的抗疲劳能力。     

直升机机匣轴承与支座刚度强度相互影响的有限元分析

采用ANSYS软件建立了轴-轴承-支座在装配状态下的有限元模型,模型中考虑了轴与轴承、轴承与支座的相互接触。计算了结构在给定装配过盈量时空载状态与受径向载荷状态下的结构的应力与变形,并进一步计算了不同装配过盈量和支座材料下,结构的应力和变形的变化,得到了轴与支座之间刚度与强度的相互影响规律。结果显示,过盈量与支座弹性模量对轴承与支座的应力、变形的影响各不相同。该分析结果为机匣轴承与支座的设计提供了重要参考依据。     

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.     

曲轴齿轮过盈装配的有限元分析

本文针对某发动机曲轴齿轮的结构和承载特点,首先通过理论计算初步确定过盈量的上、下限;然后通过对曲轴齿轮过盈装配进行有限元接触分析分析了不同的装配过盈量下齿轮的应力分布情况,探讨曲轴齿轮装配过盈量对齿轮应力的影响规律。     

免润滑脱离式核主泵飞轮动力学特性研究

现有核反应堆冷却剂主循环泵(核主泵)飞轮系统无超速保护功能,在极限冷却剂丧失事故(LOCA:Lost of Coolant Accident)工况下存在飞轮破裂损伤主设备的隐患,进而威胁整个核岛安全.为消除隐患保障核岛安全运行,根据第三代核电技术的要求,首先采用过盈配合传递扭矩的方式,设计出满足惰转惯量要求的脱离式飞轮结构,摩擦副选用自润滑性能的陶瓷球与PEEK材料,达到免润滑目的 .然后根据飞轮本体与轴套之间的非线性接触理论,采用仿真方法分析了过盈量随转速变化特性,给出了脱离速度.同时分析了飞轮危险点应力应变随转速变化特性,给出了脱离速度下的危险点应力.最后对设计完成的工程样机进行了台架实验,获得了飞轮本体实现脱离的速度以及飞轮危险点应力应变随转速变化的特征曲线.结果 表明理论计算、仿真分析与实验结果基本一致,进而为飞轮产品的设计与制造提供了可靠地技术与方法.     

永磁电机转子中永磁体与护套的过盈量分析

高速永磁电机转子中表贴式永磁体与高强度非导磁合金护套过盈装配,护套与永磁体之间通过过盈配合产生压应力,其中的一部分过盈压应力用于抵消由于电机转子高速旋转而产生的对永磁体的离心拉应力,同时必须剩余一定的过盈压应力以保证永磁体在电机运行时的工作稳定和安全。以一种高速永磁电机转子为例,计算了电机转子护套和转子永磁体之间的过盈压应力,以及各转速下的合理过盈量,为高速永磁电机转子设计及护套与永磁体的过盈装配提供有价值的理论参考。     

复合材料飞轮多层过盈分析

利用ANSYS Workbench软件对某多层复合材料飞轮的不同过盈工况进行有限元分析,得出不同过盈工况下复合材料飞轮的径向应力及环向应力情况。结果表明多层复合材料飞轮的过盈设计对其应力分布不均匀性具有重要影响,从而为多层复合材料飞轮的设计提供了一种有效的分析计算方法。     

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。     

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。     

滚动试验台飞轮负载装置过盈量分析

根据弹塑性力学理论,确定了滚动试验台中飞轮负载装置过盈量,并通过有限元方法进行了详细地分析,得出了飞轮与飞轮轴之间的应力分布云图.分析结果表明,飞轮与飞轮轴之间的过盈量既保证了扭矩传递的需要,又确保了飞轮与飞轮轴有足够的强度,设计合理.     

储能飞轮过盈/脱落过程研究

核电冷却剂泵上安装飞轮,用以储备转动惯量,保证在泵电动机断电时冷却剂流量缓慢下降,避免反应堆事故。采取过盈配合的目的是控制飞轮临界转速。过速情况下,飞轮发生膨胀,从立轴脱落,可以预防爆裂的发生。设计了一套由临界转速控制的逐层脱落的安全飞轮。运用平面应力法与包含间隙元的有限元模型,对飞轮进行过盈设计和应力分析。在递增的离心力作用下,对飞轮摩擦配合的连续、滑动、脱落过程进行完整仿真。     

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。     

Optimization of composite flywheel design

Composite flywheels are effective energy storage devices. The multi-rimmed flywheel configuration is first chosen for this study because of its superior operating characteristics and versatility. Then the Kevlar-49/epoxy system is adopted as the basic composite material, which is sandwiched between thin layers of rubber. A general stress analysis procedure is developed for the multi-rimmed structure and a computer routine is established to investigate the effects of various material and geometric parameters on the internal stress levels. A maximum stress criterion is used for failure of the composite flywheel. The basic goal of optimization is to achieve a stress distribution such that each ring in the multi-ringed structure will fail at approximately the same angular speed. The parameters varied in the optimization process include the thickness, Poisson's ratio, Young's modulus and density of the inter-ring material, the density and thickness of the composite material, and the thickness of the flywheel in the axial direction. The optimization process demonstrated that this procedure can be applied in general when other failure criteria or performance characteristics (such as maximum kinetic energy, kinetic energy per weight and kinetic energy per volume) are preferred.     

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.     

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。     

新型高效飞轮储能技术及其研究现状

飞轮储能系统具有高比能量，高比功率，高效率，长寿命等优点，被认为是未来理想的储能装置。在对飞轮储能系统的工作原理进行一般性分析的基础上，对飞轮储能的关键技术作了较为详细的分析论述，最后介绍了飞轮储能的研究现状与应用前景。     

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。