复合材料储能飞轮分层结构研究

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1、摘要y639080本文首先利用相关的材料学和有限元数值方法，对复合材料储能飞轮的结构进行分析，得到复合材料储能飞轮应力场和应变场，确定了飞轮分层结构优化设计方案。其次，结合复合材料缠绕成型工艺，进行了复合材料储能飞轮分层结构的工艺设计。利用声发射技术，对飞轮材料进行断裂损伤研究，找出声发射曲线与损伤类型的关系，以便于实现复合材料储能飞轮无损检测。最后对复合材料飞轮进行旋转试验，针对其失效情况进行了探索，寻找提高复合材料储能飞轮最高转速的有效途径。研究结果表明采用分层结构工艺，可有效利用飞轮材料的性能，进

2、一步提高复合材料储能飞轮的最高转速。关键词：复合材料储能飞轮有限元分层AbstractBycombiningthetheoryofmaterialscienceandfiniteelementmethod(FEM)，thestructureofcompositeflywheelrotorwasstudiedinthispaper,thestressandstraininaspinningrotorwasanalyzedbyFEM，andalloptimizationmethodoftheflywheel

3、rotorstructurewasputforward．Accordingtofilamentwindingprocess，acompositeflywheelrotorlaminatedwindingprocesswasapproved．ByusingAcousticEmissionTechnology(AET)，differentcompositematerialsamplesweretesteddetectingitsdamageandfracture，andrelationshipsbetwee

4、nAETcurvcdiagramsanddamagetypeswerefound，so，thetechnologycouldbeusedinthefieldofcompositeflywheelnondestructiveexamination(FIDE)．Somecompositeflywheelrotorswererotated，itsfailurewasstudiedforfmdingmethodsofincreasingthemaximalspeedofcompositeflywheelroto

5、r．ThestudyprovedthatlaminatedwindingprocesscouldeffectivetakeadvantageofcompositematerialandincreasethemaximalspeedofcompositeflywheelrotorforenergYstorage．KeyWords：compositematerial，energystorage，flywheel，finiteelementmethod(FEM)'laminate1引言1．1复合材料储能飞轮的

6、研究和发展概述飞轮用于机械能量的储存较早，由于早期的飞轮转速普遍较低，采用一般的金属材料就能满足使用要求。现代飞轮作为机械能量储存器件时’最高转速已达到每分钟几十万转，飞轮轮缘的速度已超过音速，如果还用金属材料，其强度不能满足使用要求。近年来，新型复合材料和新技术迅速发展，如高强度的碳纤维复合材料、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机／发电机技术以及电力电子技术等，使得飞轮能够储存大量的能量，给储能飞轮的应用带来了新的活力。与传统的化学蓄电池相比，复合材料飞轮储能装置有许多优越的性能，其性能对比如表1-1

7、．1。表1-1．1化学蓄电池与飞轮储能装置性能对比m对比特性化学蓄电池飞轮储能装置可重复充电次数50～600次>10000次放电深度有限制无限制间歇维护时间《6个月>10焦充电时间10～15小时3小时温度要求有要求无要求对环境的影响有污染，用后需回收无污染单位重量功率密度(W／kg)1505000单位重量储能密度OVh／kg)10～20>20使用寿命2～8年>20芷飞轮储能的基本原理是由电能驱动飞轮到高速旋转，电能转变为机械能储存，当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能。飞轮的

8、升速和降速，实现了电能的存入和释放【2J。飞轮储能技术在电力系统调峰、风力发电、太阳能发电、汽车供能、不问断电源、低地球轨道卫星储能、大功率机车、电磁炮、鱼雷等方面广泛应用。美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大等国家已开展广泛的研究【3l美国宇航局Glenn研究中心，从20世纪80年代起就开始了卫星航天飞轮的研究，于20世纪90年代末期在低地球轨道卫星电力与姿态控制集成系统、转子制造工艺、飞轮磁悬浮等方面取得很大进展。在2000年3月，飞轮