磁悬浮飞轮锁紧装置及其优化设计

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1、第１８卷第８期光学精密工程Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．８２０１０年８月ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｕｇ．２０１０文章编号１００４９２４Ｘ（２０１０）０８１８１４０８磁悬浮飞轮锁紧装置及其优化设计刘强，房建成，韩邦成，白国长（北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京１００１９１）摘要：针对磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置不可重复锁紧／释放的缺点，提出了一种基于电机、碳纤维弹片和钢丝绳的可重复锁紧装置，并给出了锁紧装置的结构和工作原理。根据执行锁紧过程碳纤维变形状况，将其分为弯曲变形和受压变形两个阶段，并在此基础上对

2、锁紧装置进行了受力分析。利用多学科优化软件ｉＳＩＧＨＴ集成有限元分析软件对碳纤维弹片进行了优化设计，以材料强度、结构反力和共振频率多学科要求同时作为约束条件，采用针对离散变量的全域遍数法嵌套连续变量的序列二次规划法对碳纤维弹片质量进行优化。优化结果显示，碳纤维弹片个数为１２时，碳纤维质量达到最小为４６ｇ，比初始质量１１２ｇ减少了５９％。结果表明，该优化方法提高了锁紧装置设计的可靠性和效率，对飞轮系统整体优化设计有重要意义。关键词：磁悬浮飞轮；锁紧装置；多学科优化设计；混合离散变量；有限元；磁轴承中图分类号：Ｖ４１４．１文献标识码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＯＰ

3、Ｅ．２０１０１８０８．１８１４犔狅犮犽犻狀犵犱犲狏犻犮犲犳狅狉犿犪犵狀犲狋犻犮犫犲犪狉犻狀犵犳犾狔狑犺犲犲犾犪狀犱犻狋狊狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀ＬＩＵＱｉａｎｇ，ＦＡＮＧＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ＨＡＮＢａｎｇｃｈｅｎｇ，ＢＡＩＧｕｏｃｈａｎｇ（犖狅狏犲犾犐狀犲狉狋犻犪犾犐狀狊狋狉狌犿犲狀狋牔犖犪狏犻犵犪狋犻狅狀犛狔狊狋犲犿犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犉狌狀犱犪犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲犳狅狉犖犪狋犻狅狀犪犾犇犲犳犲狀狊犲，犅犲犻犺犪狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犅犲犻犼犻狀犵１００１９１，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｏｒｅｍｅｄｙｔｈｅ

4、ｄｅｆｅｃｔｏｆａｎｏｎｅｏｆｆｌｏｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｒｅｐｅａｔｌｏｃｋｉｎｇｏｒｒｅｌｅａｓｉｎｇｆｏｒａｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｆｌｙｗｈｅｅｌ，ａｎｏｖｅｌｒｅｐｅａｔｅｄｌｏｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｔｏｒ，ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｔｈｅｌｏｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂ

5、ｅｒ，ｔｈｅｌｏｃｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｔａｇｅｓｏｆｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＭｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＤｅｓｉｇｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（ｉＳＩＧＨＴ）ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ（ＡＮＳＹＳ）ｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ．Ｔｈｅｎ，ｂｙｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｔ

6、ｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｔｈｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｐｏｉｎｔｂｙｐｏｉｎｔｃｏｍｐａｒｉｎｇａｔｍａｃｒｏｃｏｓｍｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｑｕａｄｒａｔｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｍａｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅａｃｈｅｓｍｉｎｉｍｕｍｂｙｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｆｒｏｍ１１２ｇｔｏ４６ｇ（

7、ｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ５９％）ｗｈｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｌｉｃｅｓｉｓ１２．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｏｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｈａｓｉｍｐｏｒ收稿日期：２００９１０１６；修订日期：２０１００１１８．基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（Ｎｏ．６０８２５３０５）第８期刘强，等：磁悬浮飞轮锁紧装置及其优化设计１８１５ｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｆ

8、ｌｙｗｈｅｅｌｓｙｓｔｅｍｓ．犓犲狔狑