高速储能复合材料飞轮转子强度分析与优化研究

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1、隶劫大·粤博士学位论文万方数据高速储能复合材料飞轮转子强度分析与优化研究本论文获国家自然科学基金(11172065)资助。万方数据HIGH—SPEEDSTORAGECOMPOSITEFLyWHEELROTORSTRENGTHANALYSISANDOPTIMIZATIONRESEARCH4DissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYⅥ电NShao．boSupervisedbyProf．JIANGShuyunSchoolofMechanicalEngine

2、eringSoutheastUniversityMay2014万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示TN意。研究生签名：窒之选嗍丝!丝：拿：!东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其

3、他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：重逸师签研究生签名：型兰乙＆师签期趔生：旦：／／万方数据摘要高速储能复合材料飞轮转子强度分析与优化研究研究生：文少波导师：蒋书运教授随着飞轮转速和储能密度要求的不断提高，采用高比强度的复合材料、多环组合结构成为飞轮转子的主要形式。为了充分发挥复合材料的性能优势，本文对飞轮转子工作过程和制造过程的力学行为进行理论分析，开展多

4、环混杂复合材料飞轮转子强度优化研究。针对不同应用领域设定相应优化目标，设计应力分布合理、极限转速高、储能密度大、成本低的多环结构复合材料飞轮转子。论文主要研究工作如下：1．复合材料飞轮转子充放电过程应力分析。针对储能飞轮充放电运行过程，基于弹性力学理论，采用平面应力假设，考虑角加速度的影响，对复合材料飞轮转子进行应力分析。对照恒转矩和恒功率两种充放电控制方式，分别建立了飞轮工作转速的变化模型，进而确定充放电过程飞轮转子的应力分布和变化规律。2．复合材料飞轮转子最大应力位置分析。建立了高速运行时飞轮转子应力极大值位置方程，采用牛顿迭代法对其进行了数值计算。分析复合材料各向异性系

5、数、转子内外径比对最大应力位置的影响。研究表明：(1)内外径比小的飞轮转子，最大径向应力位置与材料属性紧密相关，随着各向异性系数增大，最大径向应力位置向外侧方向移动；最大环向应力位置位于飞轮转子的外侧附近。(2)内外径比大的飞轮转子，径向最大应力位于中心面附近，可用中心面替代最大径向应力位置；最大环向应力位于转子内侧。3．复合材料飞轮转子纤维缠绕等剩余张力设计。针对芯轴和已缠绕层构成的复合结构，建立了单层纤维缠绕的力学模型；基于力的叠加原理，计算缠绕结束时每层纤维的实际剩余缠绕张力；根据预设纤维缠绕剩余张力要求，逆向对初始缠绕张力进行迭代分析，进而确定各层初始缠绕张力及预拉力

6、。等剩余张力设计时，迭代所得初始缠绕张力比预设值大，其分布从内到外先增大后减小，在中问部位有最大值。4．复合材料飞轮转子和安装轴的合理设计。对复合材料飞轮转子和安装轴的初始过盈装配及其高速旋转时应力进行分析，以不出现材料的初始压装损坏和高速松脱分离为条件，同时考虑纤维缠绕初始张力的影响，提出一种合理过盈量的计算方法，并编制相应的过盈连接程序。以碳纤维T300／2500转子和铝合金芯轴为例进行了合理过盈量的计算，转子在静止、最低稳定转速和工作转速时强度均符合设计要求。万方数据东南大学博士学位论文5．多环混杂复合材料飞轮转子的优化设计。为了获取优化过程中所需的即时应力，针对多环混

7、杂复合材料飞轮转子的应力分析，提出了一种相对位移和逐层装配相结合的解析计算方法。根据储能飞轮的不同应用领域，分别以单位质量储能密度(EPM)、单位体积储能密度(EPV)、单位价格储能密度(EPC)及同时考虑价格和质量的储能密度(EPMc)为优化目标，综合考虑纤维缠绕、多环过盈套装和高速运行时的受力特征，采用二次序列规划方法(SQP)进行优化设计，从而得到各组成环的最佳几何尺寸、环间过盈量，以及飞轮转子能达到的极限转速和储能能力。优化结果显示，多环混杂复合材料飞轮转子在极限转速运转时，各环界面之间接近径向