复合材料空心飞轮多环套装整体变形及应力简化精细分析

采用多环过盈装配是解决复合材料飞轮径向强度过低的有效途径之一。本文作者采用平面应力简化模型,提出了计及过盈配合后变形导致实际过盈量增大计算飞轮套装后的初终应力分布的方法;提出了基于叠加原理计算多环过盈装配旋转飞轮应力的方法;提出了保证飞轮旋转时配合界面不脱离的相关临界转速的概念和计算方法。算例分析表明:过盈配合后的变形对初终应力的影响不能忽略;过盈量和套装环数与飞轮的初终应力和相关临界转速有密切的关系。     

计及复合材料飞轮内孔卸载影响的多厚环套装的简化分析

纤维束张紧力缠绕的复合材料厚环固化成型以后,再抽出缠绕芯轴形成空心环,这一过程称为内孔卸载。本文作者在飞轮多环套装初应力分析和张紧力缠绕飞轮初应力分析的基础上,进一步给出了计及纤维束张紧力影响和复合材料厚环内孔卸载影响的多环过盈套装的简化分析,并给出了计算复合材料飞轮总体初应力场和变形场的公式。算例分析表明:内孔卸载后,纤维束缠绕的复合材料厚环的应力场和变形场均有明显的变化;和多厚环过盈套装的方法结合起来装配飞轮,可以有效地增大径向压应力,缓和环向应力;内孔卸载使得装配中的真实过盈量相对初始设定过盈量有较大的改变,必须充分考虑。      

复合材料飞轮的三维应力分析

高速旋转的飞轮在给定外径和质量的情况下,轮缘采用先进的碳纤维缠绕,提高飞轮的转速,从而增大飞轮的储能密度,解决了飞轮轮缘因高速旋转而断裂破坏的问题。本文采用三维实体元分析计算复合材料飞轮工作时的应力分布,为安全合理设计复合材料飞轮提供依据。     

复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验

分别基于平面应力型全弹性模型和三维数值模型建立了计算复合材料飞轮破坏转速的二维和三维算法。这两个算法均采用了正交各向异性材料的最大拉应力(材料主方向) 准则, 其中三维算法还采用了两种强度判据, 即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和轴向边界区域每层应力的最大值判据。对张紧力缠绕的3个实验复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏实验, 破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处。实验结果表明, 飞轮的实际破坏转速与理论破坏转速十分接近, 证实本文中建立的二维和三维算法是可靠的;二维算法得到的理论破坏转速偏高, 而飞轮的实际破坏转速落在三维算法分别按最大值判据和平均值判据得到的两个理论破坏转速之间, 说明三维算法的精度更高。      

某复合材料π接头的强度估算

复合材料胶结接头是复合材料整体化成型技术的关键,其承载能力的大小直接关系到整体结构的力学性能.本文基于通用有限元分析软件ABAQUS采用实体单元建立某复合材料π形接头的三维有限元分析模型,参考最大正轴应力准则根据各铺层应力分析结果判定了接头结构的初始损伤部位.在此基础上,采用局部消刚模型对损伤部位进行刚度修正并进行重新计算,直至给出接头结构的极限载荷.与实验结果相比,初始损伤载荷计算误差小于6.1%,极限载荷计算值误差小于5%.损伤位置与试验基本吻合.     

平纹机织叠层复合材料飞轮弹性参数预测及测量

针对纤维缠绕复合材料高速飞轮径向分层问题,提出环向和径向同时强化的圆环平纹织物结构,环向纱束为单一纤维束连续织造。建立了“平头梭形”截面的单胞模型,兼顾双向纱束轮廓差异。基于扇形单胞和矩形单胞结构相似性,定义了“等参数”织造约束条件。采用体积平均法预测圆环织物扇形单胞等效弹性参数,并采用轮缘径向多层分割模型,分析了机织飞轮旋转载荷下的应力和变形特征及其影响参数,轮缘理论计算位移与圆标记法径向变形测量结果一致。机织复合材料飞轮测试极限圆周速度为889 m/s,储能密度为63.7 Wh/kg。理论分析和实验表明,环形织构的双强化理论可行,能够获得比缠绕飞轮更高的旋转速度。      

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值分析

利用平面应力型全弹性模型的思想(即将纤维束张紧力缠绕看成多层复合材料薄环连续过盈装配的过程) , 建立了三维纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力分析模型, 并给出了基于面-面接触算法求解张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值方法。算例分析表明, 三维数值分析得到的飞轮的环向初应力及径向初始压应力(数值) 均略低于平面应力模型的结果, 且这种差距随着飞轮轴向长度的增加而缓慢增大; 三维分析证实了平面应力模型关于张紧力缠绕复合材料飞轮的初应力分析有足够的精度。最后给出了三维模型轴向效应的表征方法。      

碳纳米管膜层间改性碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的结构调控及性能

对比研究了热塑性层间增韧和碳纳米管(CNT)膜层间混杂碳纤维(CF)/双马来酰亚胺复合材料不同层间结构调控方法,分析了其复合材料的压缩、动态力学、导电和电磁屏蔽等性能的变化。结果表明,热密实可显著降低层间CNT膜的厚度,抑制其局部富树脂程度,CNT膜-CF混杂复合材料的压缩强度得以提升,其压缩断口形貌明显不同于初始的CF复合材料。对比而言,热塑性树脂层间增韧CF复合材料的压缩强度明显低于CNT膜/CF混杂复合材料。CNT膜的加入贯通了混杂复合材料的层间导电通路,其厚度方向电导率提高了3个数量级,然而不同复合材料的体积电导率则表现出明显的“木桶效应”。值得关注的是,CNT膜层间混杂对提高CF复合材料的电磁屏蔽特性作用显著,其中致密CNT膜混杂复合材料的电磁屏蔽效能可达到90 dB。      

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

轮缘驱动式姿控飞轮电机设计

为了提高小卫星用姿控飞轮的转动惯量/质量比,实现飞轮调姿系统的轻量化,设计了一种飞轮用永磁无刷直流电机.根据电机磁路,推导了磁钢尺寸与最大磁能积的关系;采用有限元法分析了磁路参数对飞轮性能的影响;针对飞轮电机大气隙、大径长比的结构特点,给出了气隙磁通密度的计算方法;建立了绕组参数与电机额定数据间的关系;仿真分析了电机性能.通过对一台最高转速为6 000 r/min、角动量为5 Nms的飞轮电机样机进行实验验证,得出最大设计误差为65%,证明了设计方法的正确性.     

Optimum design of hybrid composite multi-ring flywheel rotor based on displacement method

A structure optimum design based on the displacement method has been performed to maximize the energy storage capacity of a hybrid composite multi-ring flywheel rotor. In the process of optimal design, the preload stress generated by interference assembly, the fiber material failure and the delamination between two adjacent rings under high speed rotation are all considered. Four types of the optimal schemes of energy storage capacity, energy per unit mass (EPM), energy per unit volume (EPV), energy per unit cost (EPC) and energy per unit mass and cost (EPMC) are proposed to satisfy the needs of different applications and optimal designs are carried out by using a sequential quadratic programming (SQP). The optimal results show that all composed rings of the hybrid flywheel rotor can nearly reach the limits of strength in both radial and circumferential directions, and simultaneously the rotor is at the critical state of delamination. The radius parameters and the maximum allowed rotational speed of the hybrid composite flywheel are closely related to the optimal schemes. Considering the effects of angular acceleration and gravity on the delamination will result in the decreasing of energy storage capacities for four typical applications.     

A Static Burst Test for Composite Flywheel Rotors

High efficient and safe flywheels are an interesting technology for decentralized energy storage. To ensure all safety aspects, a static test method for a controlled initiation of a burst event for composite flywheel rotors is presented with nearly the same stress distribution as in the dynamic case, rotating with maximum speed. In addition to failure prediction using different maximum stress criteria and a safety factor, a set of tensile and compressive tests is carried out to identify the parameters of the used carbon fiber reinforced plastics (CFRP) material. The static finite element (FE) simulation results of the flywheel static burst test (FSBT) compare well to the quasistatic FE-simulation results of the flywheel rotor using inertia loads. Furthermore, it is demonstrated that the presented method is a very good controllable and observable possibility to test a high speed flywheel energy storage system (FESS) rotor in a static way. Thereby, a much more expensive and dangerous dynamic spin up test with possible uncertainties can be substituted.     

玻璃钢/复合材料叶片结构优化设计

本文讨论玻璃钢/复合材料叶片结构动力优化设计。设计变量为截面单向层壁厚,目标函数为叶片最轻重量,约束条件为应力和频率约束,并考虑了工艺和构造对壁厚的要求。应力约束采用满应力准则来处理,频率约束采用非线性规则中的Kuhu—Tucker条件来处理。文中给出了两个算例,表明本文介绍的方法对于叶片结构动力优化设计是有效的。     

不平衡飞轮的扰动特性

高精度航天器对指向精度有极高的要求,飞轮是卫星姿态控制环节中不可或缺的执行部件,在研制和装备过程中,不可避免地具有微量的偏心或动不平衡,在姿态机动和稳定控制的过程中,飞轮的旋转会产生干扰力。将动静不平衡质量作为航天器的一部分,推导出完整航天器动力学姿态方程,进行动力学仿真,并根据完整的姿态动力学方程简化分析仿真结果。研究发现动静不平衡质量在飞轮高速转动时,对姿态均有影响,动不平衡质量对姿态的影响与安装位置关系很小,而静不平衡质量呈现线性关系,且两者对姿态的影响满足线性叠加。单轴转动时,指向精度的长周期变化只与飞轮的固有特性有关,与转速的大小无关。多轴转动时,姿态会振荡或发散,与初始相位有关;但对姿态的影响不满足单轴转动的叠加。