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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于复合形法的飞轮转子储能优化设计

储能密度是储存能量的主要技术指标,优化飞轮的重要目的就是提高其储能密度。本文建立了一种储能优化模型,应用平面应力分析,利用复合形法的原理和MATLAB软件,取得飞轮转子内外半径值的一组优化参数,结果是飞轮电池转子储能密度相比优化前增加一倍。这对提升飞轮储能密度、减少飞轮失效、提高飞轮使用寿命具有重大意义。     

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.     

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。     

Design of composite flywheel rotor

A design method for a flywheel rotor composed of a composite rim and a metal hub is proposed by studying the connection between the rotor and the driving machine. The influence of some factors such as the rotor material, configuration, connection, and fracture techniques on energy density is analyzed. The results show that the ratio of the inner radius to outer radius of the rim is the key factor, and is determined by the rim material. Optimizing the hub can further efficiently improve energy density. The composite flywheel rotor is produced and its rotation stress has been tested at the speed of 20 krpm. The emulation results are consistent with testing results, which proves that the introduced design method is useful. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2007, 15(6): 852–857 [译自: 光学精密工程]     

Achieving desirable stress states in thick rim rotating disks

The theoretical implications of varying the mass and stiffness properties in a search for desirable stress states in thick rim flywheels are investigated. In some cases, the variation of mass and stiffness properties to achieve desirable stress states facilitates consideration of thick rims with an inner radius to outer radius of 0.6 or lower. One thick rim concept investigated, namely that of variable mass density and stiffness, exhibits the same stress characteristics as does the thin rim concept in that the radial stress is zero throughout whereas the hoop stress is constant and equal to the product of the mass density times the peripheral speed squared.     

基于最优控制理论的储能飞轮转子形状优化设计研究

为克服飞轮转子形状优化时一般优化方法效率低的缺点,在分析角速度对转子形状影响的基础上,将转子角速度划分为低速、中速和高速三个阶段,采用最优控制理论,直接得到实心和空心飞轮转子的最优形状解析表达式。通过比较实心和空心转子低速、中速和高速情况下的最优形状,揭示飞轮转子最优形状随角速度变化的规律。研究结果表明,低角速度下,转子的最优形状沿半径方向"内薄外厚";高角速度下,"内厚外薄";中等角速度下,"两端厚中间薄"。低角速度情况下,实心和空心转子的最优形状相同;但中、高速情况下,实心转子的最优形状中包含等应力弧段,而空心转子的最优形状中不包含等应力弧段。由于实心转子的最优形状中包含有等应力弧段,实心转子的储能性能更优于空心转子。     

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。