本文關鍵詞：高速復合材料飛輪轉子結構設計及工藝優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：飛輪儲能是一種高效、清潔、環(huán)境適應性強的儲能手段，利用高速旋轉的飛輪轉子把能量以機械能的方式儲存起來，待需要時釋放機械能實現(xiàn)能量輸出。目前已應用于航空航天、電力調(diào)峰、汽車動力補償?shù)戎T多領域。 5kWh儲能飛輪一般應用于衛(wèi)星、海上燈塔、汽車等設施上提供能量，所以結構尺寸及重量不宜過大，這樣就對轉速要求較高。飛輪高速旋轉時的邊緣線速度很大，普通金屬承受不了如此大的周向應力，所以選擇縱向拉伸模量很高的碳纖維T700/環(huán)氧樹脂復合材料作為輪緣材料，輪轂材料為鋁合金7075。飛輪在高速旋轉時往往會由于徑向壓應力不夠導致飛輪輪轂與輪緣發(fā)生脫離，致使飛輪失效，可以通過兩種制備手段來提高飛輪的徑向強度：一是采用張緊力纏繞復合材料飛輪轉子；二是采用多環(huán)過盈套裝方法。 本文針對5kWh飛輪的用途和儲能量的要求，給出設計結構及尺寸，內(nèi)徑50mm，外徑265mm，飛輪轉子總質量100kg，儲能密度50Wh/kg，額定轉速29751rpm，額定儲能量5kWh。利用有限元軟件ANSYS對設計出的飛輪轉子進行靜止和轉動狀態(tài)的應力應變分析，模擬飛輪正常充放電過程，通過接觸面節(jié)點位移和接觸面徑向應力的分析，對飛輪是否失效作出判斷。 采用有限元方法，根據(jù)復合材料飛輪輪緣實際制備工藝條件，對飛輪轉子輪緣的層與層之間的過盈量進行模擬優(yōu)化，計算出滿足飛輪轉子強度及儲能要求的最優(yōu)過盈量。設計飛輪轉子復合材料三環(huán)過盈套裝工藝，確定復合材料輪緣三種不用的分層工藝參數(shù)，比較飛輪旋轉時應力和位移大小，通過計算分析得到最優(yōu)的分層結果。最后通過轉子的不平衡精度等級給出飛輪轉子所需的修正離心力；通過模態(tài)分析，給出飛輪轉子的固有頻率及前七階陣型圖，并驗證復合材料飛輪轉子在額定轉速時的服役安全性。
【關鍵詞】：復合材料 儲能飛輪轉子 過盈 有限元法 模態(tài)分析
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH133.7
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目錄8-10
• 第1章 緒論10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 飛輪儲能概述11-15
• 1.2.1 飛輪儲能系統(tǒng)的結構與原理12-13
• 1.2.2 飛輪儲能系統(tǒng)的應用領域13-15
• 1.3 國內(nèi)外飛輪儲能系統(tǒng)的研究進展15-18
• 1.3.1 國外對飛輪儲能系統(tǒng)的研究進展15-17
• 1.3.2 國內(nèi)對飛輪儲能系統(tǒng)的研究進展17-18
• 1.4 有限元法在設計中的應用18-24
• 1.4.1 有限元軟件 ANSYS 簡介19-23
• 1.4.2 非線性有限元分析在設計中的應用23-24
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容24-25
• 第2章 復合材料飛輪轉子的設計方案25-34
• 2.1 復合材料飛輪轉子的性能要求25-26
• 2.2 復合材料飛輪轉子的選材26-29
• 2.2.1 鋁合金的材料性能26-27
• 2.2.2 碳纖維的材料性能27-28
• 2.2.3 環(huán)氧樹脂的材料性能28-29
• 2.3 復合材料飛輪轉子的制備29-31
• 2.3.1 輪轂的制備29
• 2.3.2 輪緣的制備29-31
• 2.4 復合材料飛輪轉子纏繞應力分析31-33
• 2.5 本章小結33-34
• 第3章 復合材料飛輪轉子的結構設計34-53
• 3.1 飛輪轉子的結構設計34-39
• 3.1.1 在 ANSYS 下的建模36-38
• 3.1.2 約束及邊界條件38-39
• 3.2 輪緣制備工藝對應力分布影響39-42
• 3.2.1 初步設計方案驗證39-40
• 3.2.2 張緊力的影響40
• 3.2.3 固化成型工藝的影響40-41
• 3.2.4 過盈量的影響41-42
• 3.3 飛輪轉子靜止時應力應變分析42-46
• 3.4 飛輪轉子轉動時應力應變分析46-52
• 3.4.1 額定轉速下的分析46-50
• 3.4.2 飛輪充放電時應力應變分析50-52
• 3.5 本章小結52-53
• 第4章 復合材料飛輪轉子結構優(yōu)化設計53-65
• 4.1 過盈量優(yōu)化53-55
• 4.2 飛輪轉子結構優(yōu)化55-60
• 4.2.1 飛輪轉子靜態(tài)分層優(yōu)化55-57
• 4.2.2 飛輪轉子轉動時分層優(yōu)化57-60
• 4.3 飛輪轉子的安全性60-64
• 4.3.1 動平衡60-61
• 4.3.2 模態(tài)分析61-64
• 4.4 本章小結64-65
• 結論65-66
• 參考文獻66-71
• 致謝71

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：高速復合材料飛輪轉子結構設計及工藝優(yōu)化，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：337175