复合材料储能飞轮转子多环配合下的应力分析

分析了复合材料飞轮转子多环配合结构下的应力状态:考虑飞轮转子多环装配后的静态初应力、装配后的静态位移、工作状态下多环过盈配合的应力、复合材料轮缘纤维缠绕对应力的影响,建立了正交各向异性材料轴对称的飞轮转子理论模型,计算了离心力、环间配合压力作用下转子各环的径向和环向应力分布。分析了过盈量与转子各环应力的关系,确立了过盈量的选取准则。结果表明:随着过盈量的增大,金属转轴和金属轮毂间的应力会先减小再增大,复合材料轮缘间的应力会相应增大。

不同材料飞轮转子的储能特性对比及有限元分析

飞轮储能系统以其响应速度快和功率密度高等优点而受到业界广泛关注。为了分析不同材质的飞轮转子之间的差异,文中选取了钛合金、4340合金钢和环氧树脂-碳纤维复合材料作为研究对象。通过ANSYS Workbench有限元软件分析了飞轮所能承受的最高转速,并且对比了不同材质飞轮转子的储能密度和储能量;在相同的转速和尺寸下,分析了不同材质的飞轮旋转时的内部应力及形变的差异。分析数据表明:相同尺寸的飞轮转子,环氧树脂-碳纤维复合材料飞轮能承受的转速最高,储能密度最大,并且内部应力和形变最小;钛合金飞轮的储能量最大;4340合金钢飞轮虽然能达到较高的储能量,但其内部应力和形变量大,给飞轮运行安全性带来不利影响。实际应用中应根据不同材料飞轮的特点进行选择。

大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析

大容量功率型飞轮储能系统是电力系统优质调频资源,采用高强度、低密度的复合材料制造飞轮转子是提升飞轮储能量的主要方法。本工作以大尺寸的复合材料飞轮转子为对象,在弹性理论基础上,推导出各向异性材料转子轮缘在高速旋转下的应力分布公式,并基于应力叠加原理得到了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合下的应力分析公式,给出了解析解;然后建立了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合的有限元分析模型,对转子应力分布进行仿真分析,仿真结果与解析结果基本一致,验证了模型的合理性。最后针对过盈量对复合材料转子轮缘与金属轮毂接触面应力的影响,以及飞轮转子在给定转速下的变形对过盈量及接触面应力的影响进行了分析。

民用航空发动机转子包容性适航要求及符合性方法研究

航空发动机转子包容性能够降低飞机损坏的概率,从而提高飞行的安全性,它是航空发动机结构设计的重要环节,也是适航审定重点关注的内容之一。本文从适航规章对于航空发动机包容性的要求出发,研究了与包容性相关的适航条款的发展历程,以及复合材料风扇叶片包容性的专用条件,从而确定包容性相关条款和专用条件的实质要求及符合性方法。最后,通过某型发动机的审查实例,说明满足包容性相关的条款和专用条件需要开展的符合性工作,为发动机制造商的包容性设计以及适航部门的包容性适航审定提供参考。

水下航行器推进器复合材料转子流固耦合建模与计算分析

该文针对水下航行器推进器复合材料转子叶片在工作时发生的流固耦合现象进行研究。基于ABAQUS软件的有限元方法与STAR CCM+软件的计算流体力学的双向流固耦合的数值方法,计算并分析了复合材料叶片在非稳态流场中不同进速系数下的敞水性能、压力分布、桨叶形变和应力大小;此外,该文还提出2种用于解决动网格负体积的方案。结果表明:流固耦合对复合材料转子的作用会造成其推力的部分损失;复合材料叶片流固耦合过程中的振动频率主要集中在一阶叶频附近;在低进速系数工况下,叶片所受轴向载荷越大,其轴向形变也越大,反之则越小;由流固耦合作用引起的转子最大应力出现在叶片压力面根部,进速系数越小,最大应力越大。流固耦合作用在低进速系数工况下作用明显;2种方案均能有效解决网格负体积问题。

CFRP螺杆泵转子结构特性研究

基于增材制造和复合材料的快速发展,以CFRP转子为研究对象,借助有限元仿真分析软件,对其结构进行了模态分析及静力学分析,并探究了CFRP转子的模态变形分布规律、静力学受力变形及转子最大应力。仿真结果表明:最大模态变形发生在第四、第五阶,最大变形、应力整体最大变形及齿面最大变形发生在转子轴部和齿面进气口处,仿真数据为转子的装配和理论研究提供参考。

复合材料飞轮结构与储能密度

为提高飞轮的储能密度,需采用合适的转子材料和合理的转子结构。复合材料与各向同性材料相比具有明显优势。多层转子结构突破了单层转子内外半径比的限制,可明显改善转子内部的应力分布,提高飞轮的储能密度。该文论述了复合材料飞轮储能密度的影响因素,对复合材料转子的应力分布作了定量分析,比较了单层和多层转子的特点,综合考虑飞轮设计的各种因素,提出了飞轮转子结构参数的设计方法。

过盈装配的金属轮毂-复合材料飞轮转子

针对一种高储能密度超导磁悬浮储能飞轮,设计了一种由磁轴承、金属轮毂和3个复合材料圆环过盈装配而成的飞轮转子。通过加入金属轮毂来改善转子的应力分布、减小转子的径向应力,保证转子在高速转动状态下磁轴承和复合材料圆环之间的连接强度。转子圆环之间通过过盈装配提供初始压应力,以避免转子在高速转动时发生分层破坏;采用平面应力解析法和有限元法建立转子的应力分析模型,研究了金属轮毂、复合材料圆环厚度和环间过盈量对转子应力分布和强度的影响。最后,提出了转子的优化设计方案。实验结果显示,转子的额定转速达到50 000r/min,储能总量为1 110Wh,储能密度达到40Wh/kg。研究结果表明:加入金属轮毂、增大复合材料外环的厚度以及中环和外环的环间过盈量,可以提高转子的强度、极限转速和储能密度。

功能梯度材料飞轮转子优化设计

功能梯度材料(Functionally graded materials,FGMs)是一种材料属性在空间位置上连续变化的新型材料。与均匀材料相比,高速储能飞轮转子采用FGMs可以有效地减少应力集中,充分发挥材料性能,从而改善转子的工作性能。针对飞轮转子轴向厚度相对较厚时平面应力方法误差较大的问题,通过将转子离散为有限个等厚匀质微环的方法,推得变厚度FGMs飞轮转子的三维半解析解——修正平面应力(Modified plane stress,MPS)解,并采用有限元法验证其精确性。应用序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)优化方法,以飞轮转子的厚度、材料体积分数和转速为设计变量,以最大化转子的储能密度为目标函数,对FGMs飞轮转子的形状和材料分布进行优化设计,并分析材料性能参数对结果的影响。计算结果表明,合理的转子形状与材料分布可以使转子应力分布更加均匀,大大提高飞轮的储能性能。

复合材料飞轮转子设计

考虑到转子与驱动机构的连接,给出了一种金属轮毂加复合材料轮缘结构飞轮转子的设计方法。分析了转子材料、结构、连接及制作工艺等因素对储能密度的影响,分析结果表明:复合材料轮缘内外径比值α是影响其储能密度的关键,根据轮缘材料选取合理值,对轮毂进行优化可以进一步提高转子的储能密度。分析中所用复合材料及胶粘剂力学常数的准确性是影响仿真结果的主要因素,通过实验对其理论值进行修正可以进一步提高仿真结果的准确性。对实际应用中一个具体飞轮转子进行了设计并制作出了转子,在20 000 r/min转速范围内进行了旋转应力实验,仿真分析与实验结果取得了较好的一致性,证明了本文设计方法的正确性。

复合材料储能飞轮应力位移场分析及与均质材料飞轮比较

根据非均质各向异性弹性理论建立了复合材料飞轮的计算模型,得到了复合材料飞轮在工作转速情况下应力和位移计算的解析公式,给出了任一点的径向、环向应力及径向位移。并按照所建立的计算模型对不同材料对应力、位移分布的影响进行了分析比较。

混合复合材料飞轮转子成本优化设计

基于平面应力理论,计算多层过盈装配混合纤维增强复合材料飞轮转子的应力分布;指出多层过盈装配复合材料转子多种可能的失效形式;结合增广Lagrange乘子法、粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法和经典梯度算法各自的优点,提出可求解非线性约束问题的且具有全局收敛性和较高计算效率的两阶段增广Lagrange粒子群优化算法(Two-stage augmented Lagrange particle swarm optimization,TS-ALPSO);利用TS-ALPSO优化算法,以多层过盈装配混合复合材料转子的分层半径、层间过盈量和转速为设计变量,研究多层混合复合材料转子的成本优化问题;并分析转子材料价格不变时,材料次序、分层数及过盈量对转子储能性能的影响;揭示出转子单位成本储能最大时,转子分层半径、层间过盈量及转速随转子材料价格变化的规律。

声发射技术在复合材料中的应用及研究进展

本文介绍了声发射的发展史和当前国内外声发射技术在复合材料方面的应用及发展现状,最后介绍了声发射技术应用于检测复合材料飞轮的损伤与断裂的研究情况。

不同杨氏模量对复合材料储能飞轮应力及位移影响之比较

对不同杨氏模量对复合材料飞轮的应力、位移分布的影响进行了研究。结合复合材料飞轮转子的结构特点,根据非均质各向异性弹性理论建立计算模型,得到飞轮在工作转速情况下应力和位移计算的解析公式,给出了任一点的径向、环向应力及径向位移。按照所建立的计算模型,讨论了具有不同杨氏模量的复合材料对径向、环向应力和径向位移的影响,仿真分析了复合材料飞轮转子在不同边界条件、几何参数情况下的应力和位移。结果表明:随着角速度从0增大到5000rad/s,径向应力、环向应力和径向位移都增大;两种材料径向应力的最大值都出现在飞轮的外缘,最大环向应力都出现在飞轮的内侧;高杨氏模量(Er=100GPa,Eθ=350GPa)时的径向和环向应力都要大于低杨氏模量时(Er=20GPa,Eθ=150GPa)的情况,而位移则是在低杨氏模量的情况下较大。

自起动永磁电机复合材料转子导条的优化

为了获得较好的电机起动性能和抗退磁能力,对自起动永磁电机的复合材料转子导条进行优化。利用时步有限元法分析得到复合材料导条尺寸和合金材料本身的电磁特性对电机起动和运行性能的影响。以复合材料导条的尺寸和材料的电磁特性为设计变量,以永磁电机的抗退磁能力为优化目标,同时以堵转转矩和堵转电流为约束条件进行优化。具体优化步骤为:先采用正交试验法进行试验条件设计,接着利用正交试验结果拟合出各项性能指标的二次响应面回归方程,并将其作为遗传算法的适应度函数,进行最优目标搜索。通过优化复合材料导条参数提高了永磁电机的抗退磁能力,取得了较高的堵转转矩和较低的堵转电流。

飞轮储能系统研究综述

飞轮储能系统 (FESS)又称飞轮电池或机电电池 ,由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力 ,引起了人们的密切关注 它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术 ,使得飞轮储存的能量有了质的飞跃 ,再加上真空技术的应用 ,使得各种损耗也非常小 针对该领域近年来的研究成果 。

复合材料飞轮转子的成型工艺研究进展

储能飞轮是一种机械能量储存系统,具有广阔的应用前景。飞轮能否达到设计的高转速,需要飞轮的制作与试验验证,因此飞轮制作工艺是飞轮储能技术能否得到广泛工程应用的关键问题。本文概述了国内外复合材料储能飞轮成型工艺的研究进展,总结了飞轮转子的材料、形状以及制造工艺等问题。结合理论分析与试验研究,提出面向工程应用的先进复合材料飞轮的设计方法、提高复合材料飞轮的成型工艺水平,是今后的重要工作内容。

应用有限元法分析碳纤维复合飞轮强度

针对碳纤维/环氧复合材料具有的各向异性的特点,分别采用弹性力学的解析法和有限元法对集成化储能系统中的碳纤维复合转子进行了强度分析,给出了碳纤维复合转子强度计算的解析公式,对有限元法在该问题中的应用进行了详细说明。文中最后对比了二者在应用中的差异,并提出了采用密度小、弹性模量低的材料做轴或在轴与飞轮之间添加弹性层,可以提高飞轮转速,最大限度地利用碳纤维增强复合材料的优良性能这一优化设计思想。

两层预应力转子结构复合材料储能飞轮的应力及位移计算

采用预应力结构可使复合材料飞轮的应力、位移分布得到一定改善,从而提高飞轮储能密度。考虑复合材料和预应力结构的特点,建立基于各向异性对称结构理论的计算模型,得到两层预应力转子结构复合材料储能飞轮在工作转速情况下应力和位移的解析公式,对内、外两层飞轮任一点的径向、环向应力及径向位移进行较为全面的仿真分析,并利用所建立的计算模型对飞轮在某一转速时不同的位置对径向应力、环向应力和径向位移的影响进行探讨。结果表明,内层转子径向应力在外侧最大,环向应力在内侧最大;外层转子径向应力和环向应力均在内侧最大。当角速度ω从0增加到5000rad·s-1时,内、外转子的径向应力、环向应力和径向位移都随之增大。当ω=600rad·s-1,整个飞轮径向应力、环向应力和位移的最大值出现在两层转子的接触面r=0.27m处。该分析结果可为飞轮的设计制造提供重要的参考。

基于参数化组件描述的复合材料桨叶结构设计

针对目前直升机复合材料桨叶结构设计效率低的问题,提出了一种基于参数化组件描述的复合材料桨叶结构设计方法。该方法以旋翼桨叶理论外形数据模型为基本依据,根据对各桨叶组件构造形式的归纳,完成了桨叶蒙皮铺层、前缘配重、大梁、肋以及后缘条等主要组件的参数化描述,从而能够对桨叶整体结构进行方便快捷的定义;结合桨叶理论外形和各组件的定义数据,通过算法自动获取所分析截面的信息,并生成相应截面的剖面图。实例验证表明,提出的方法能够完成桨叶的结构设计,提高桨叶设计分析的效率。