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复合材料储能飞轮结构力学及储能研究

作　者: 贾红雨
导　师: 李成
学　校: 郑州大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 碳纤维复合材料飞轮应力数值模拟储能密度
分类号: TH133.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

利用飞轮储能是解决能源紧缺的一个有效途径。由于当前所利用的多是不可再生能源,为提高其使用率,世界范围内的研究者在此领域做着不懈的努力,已有多种储能方式得以利用。但是传统的储能方法利用率不高,能量转换过程复杂,而飞轮储能作为一种绿色环保的能量储存方式,可有效解决这一问题。本文在仔细查阅大量国内外相关文献的基础上,针对周向缠绕式碳纤维复合材料飞轮转子整体应力水平、储能密度和转速的影响因素做了归纳分析,并取得了对优化飞轮储能系统有指导意义的结论。利用力学相关基础知识和有限元分析方法推导飞轮转子应力应变解析式,结合ANSYS软件比较数值模拟结果对解析式精确程度加以验证,误差在极小范围内浮动;选用三种常用轮毂材料,分别就轮毂、轮缘的应力进行比较,辅以相同转速下三种材料径向和环向应力分析结果,确定铝合金材料更宜于减小飞轮整体应力水平及优化储能密度;针对飞轮材料不同模量比对飞轮的影响,得出飞轮内外半径比的选取原则;以实际算例为分析基础,对影响飞轮储能密度的结构及材料因素加以优化,提出与之符合的优化设计方法,满足复合材料强度准则的要求。对飞轮储能系统储能量进行优化时,需要对转子的失效加以预测,用以确定尽可能大的飞轮转速。分别选用国内国外两种碳纤维/环氧树脂复合材料,使用已经优化过的飞轮转子尺寸参数,利用ANSYS有限元分析软件建立飞轮转子模型,提取出沿半径方向的径向应力、环向应力和剪切应力,结合相应材料的强度,计算失效准则的收敛性,据此确定飞轮转子的最大旋转速度,使得飞轮在工作状态下不至于过载而发生失效,其结果表明ANSYS有限元转子模型能较好的用于转子失效机理的分析。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
1 绪论  7-14
  1.1 引言  7-8
  1.2 国内外研究概况  8-11
    1.2.1 国外对储能飞轮的研究  8-10
    1.2.2 国内对储能飞轮的研究  10-11
  1.3 飞轮储能系统设计方法  11-12
  1.4 本课题的研究意义  12
  1.5 本课题的研究内容  12-14
2 复合材料飞轮静力学分析及有限元方法应用  14-37
  2.1 碳纤维复合材料飞轮的构造方法  14-17
    2.1.1 周向缠绕成型法  14-16
    2.1.2 正交铺层层压成型法  16
    2.1.3 多层薄壁结构空心圆柱式飞轮转子  16-17
  2.2 各向异性弹性体力学基本方程  17-23
    2.2.1 有一弹性对称面的情况  20-21
    2.2.2 正交各向异性的情况  21-23
  2.3 复合材料飞轮转子力学模型和方程的建立及求解  23-26
  2.4 有限元法在复合材料飞轮应力计算中的应用  26-34
    2.4.1 有限元法的基本原理及计算步骤  26-27
    2.4.2 有限元分析软件 ANSYS及在飞轮应力分析中的应用  27-29
    2.4.3 有限元法在周向缠绕复合材料飞轮应力计算中的应用  29-34
  2.5 飞轮转子材料的物理性能参数测定  34-36
  2.6 本章小结  36-37
3 复合材料飞轮转子应力水平的影响因素分析  37-55
  3.1 概述  37
  3.2 解析式数值解与ANSYS求解结果的比较  37-39
  3.3 复合材料飞轮应力分布的影响因素  39-54
    3.3.1 轮毅材料对储能密度影响比较  39-44
    3.3.2 不同材料轮毅的应力比较  44-49
    3.3.3 不同模量比对飞轮转子的影响比较  49-52
    3.3.4 飞轮结构中内外半径比对飞轮转子的影响比较  52-54
  3.4 本章小结  54-55
4 复合材料飞轮转子结构及储能密度优化  55-66
  4.1 概述  55-56
  4.2 不同转子材料储能密度比较  56-57
  4.3 周向缠绕盘形飞轮强度准则的简化  57-58
  4.4 飞轮转子储能密度的优化  58-65
    4.4.1 确定目标函数及约束条件  58
    4.4.2 复合形法的基本迭代原理  58-60
    4.4.3 复合形法的计算步骤  60-62
    4.4.4 飞轮转子储能密度的优化  62-65
  4.5 本章小结  65-66
5 复合材料飞轮转子的失效分析  66-75
  5.1 概述  66-67
  5.2 复合材料失效的分类  67
  5.3 飞轮失效的判定  67-71
  5.4 检测飞轮损伤的实验方法及应用  71-74
    5.4.1 超声检测法  71
    5.4.2 计算机层析成像检测法  71-72
    5.4.3 X射线照相法  72
    5.4.4 微波检测法  72-73
    5.4.5 声-超声检测法  73
    5.4.6 声发射检测法  73-74
  5.5 本章小结  74-75
6 结论与展望  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-80
附录1: 飞轮转子储能密度优化程序  80-85
攻读学位期间取得的研究成果  85

复合材料储能飞轮结构力学及储能研究

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