本文關(guān)鍵詞：高速復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)性強(qiáng)的儲能手段，利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子把能量以機(jī)械能的方式儲存起來，待需要時(shí)釋放機(jī)械能實(shí)現(xiàn)能量輸出。目前已應(yīng)用于航空航天、電力調(diào)峰、汽車動(dòng)力補(bǔ)償?shù)戎T多領(lǐng)域。 5kWh儲能飛輪一般應(yīng)用于衛(wèi)星、海上燈塔、汽車等設(shè)施上提供能量，所以結(jié)構(gòu)尺寸及重量不宜過大，這樣就對轉(zhuǎn)速要求較高。飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的邊緣線速度很大，普通金屬承受不了如此大的周向應(yīng)力，所以選擇縱向拉伸模量很高的碳纖維T700/環(huán)氧樹脂復(fù)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(zhuǎn)時(shí)往往會由于徑向壓應(yīng)力不夠?qū)е嘛w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(qiáng)度：一是采用張緊力纏繞復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及尺寸，內(nèi)徑50mm，外徑265mm，飛輪轉(zhuǎn)子總質(zhì)量100kg，儲能密度50Wh/kg，額定轉(zhuǎn)速29751rpm，額定儲能量5kWh。利用有限元軟件ANSYS對設(shè)計(jì)出的飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變分析，模擬飛輪正常充放電過程，通過接觸面節(jié)點(diǎn)位移和接觸面徑向應(yīng)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(fù)合材料飛輪輪緣實(shí)際制備工藝條件，對飛輪轉(zhuǎn)子輪緣的層與層之間的過盈量進(jìn)行模擬優(yōu)化，計(jì)算出滿足飛輪轉(zhuǎn)子強(qiáng)度及儲能要求的最優(yōu)過盈量。設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子復(fù)合材料三環(huán)過盈套裝工藝，確定復(fù)合材料輪緣三種不用的分層工藝參數(shù)，比較飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力和位移大小，通過計(jì)算分析得到最優(yōu)的分層結(jié)果。最后通過轉(zhuǎn)子的不平衡精度等級給出飛輪轉(zhuǎn)子所需的修正離心力；通過模態(tài)分析，給出飛輪轉(zhuǎn)子的固有頻率及前七階陣型圖，并驗(yàn)證復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的服役安全性。
【關(guān)鍵詞】：復(fù)合材料 儲能飛輪轉(zhuǎn)子 過盈 有限元法 模態(tài)分析
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(jié)構(gòu)與原理12-13
• 1.2.2 飛輪儲能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域13-15
• 1.3 國內(nèi)外飛輪儲能系統(tǒng)的研究進(jìn)展15-18
• 1.3.1 國外對飛輪儲能系統(tǒng)的研究進(jìn)展15-17
• 1.3.2 國內(nèi)對飛輪儲能系統(tǒng)的研究進(jìn)展17-18
• 1.4 有限元法在設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用23-24
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容24-25
• 第2章 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)方案25-34
• 2.1 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的性能要求25-26
• 2.2 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)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(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)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(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子纏繞應(yīng)力分析31-33
• 2.5 本章小結(jié)33-34
• 第3章 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34-53
• 3.1 飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力分布影響39-42
• 3.2.1 初步設(shè)計(jì)方案驗(yàn)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(zhuǎn)子靜止時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分析42-46
• 3.4 飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分析46-52
• 3.4.1 額定轉(zhuǎn)速下的分析46-50
• 3.4.2 飛輪充放電時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分析50-52
• 3.5 本章小結(jié)52-53
• 第4章 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)53-65
• 4.1 過盈量優(yōu)化53-55
• 4.2 飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化55-60
• 4.2.1 飛輪轉(zhuǎn)子靜態(tài)分層優(yōu)化55-57
• 4.2.2 飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)分層優(yōu)化57-60
• 4.3 飛輪轉(zhuǎn)子的安全性60-64
• 4.3.1 動(dòng)平衡60-61
• 4.3.2 模態(tài)分析61-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 結(jié)論65-66
• 參考文獻(xiàn)66-71
• 致謝71

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：337175