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复合材料储能飞轮结构应力及动态特性研究

发布时间:2018-11-04 21:14
【摘要】:随着经济社会的快速发展,能源危机变得日益严重。飞轮储能作为一种新型的储能技术,具有存储能量高、储能密度大、高效可靠无污染等优势。随着高强度复合材料的出现、电机和控制系统的不断发展以及磁悬浮轴承技术的日益完善,使得飞轮储能系统在应力水平、储能密度和动态性能方面得到了进一步提升,为飞轮储能技术带来广阔的研究空间和应用前景。通过阅读大量文献,了解飞轮储能系统的国内外研究现状,完成系统整体结构设计、飞轮应力水平分析和系统动态性能研究,对飞轮储能系统的优化有重要的指导意义。首先根据给定的技术指标,为飞轮系统确定合理的机械电气结构,完成一系列重要部件的选型,保证整个系统结构紧凑,控制良好,,运行可靠。以周向缠绕复合材料飞轮为研究对象,建立整个飞轮转子的几何模型,结合复合材料力学知识完成飞轮运动平衡方程的建立,并最终得到飞轮转子径向应力和环向应力的理论表达式,为飞轮的应力分析奠定理论基础。利用ANSYS Workbench有限元软件对单层和多层飞轮转子的应力进行详细的分析。对于单层飞轮转子,分析弹性模量比、内外半径比和泊松比对飞轮径向应力和环向应力的影响;对于多层飞轮转子,分析多层同构和多层异构情况下飞轮转子应力的变化。同时还考虑径向厚度和层间过盈量对应力的影响。最后通过对转子动力学和模态分析理论的了解,利用ANSYS Workbench软件对飞轮转子系统进行模态分析,得到系统的固有频率和振型。同时对影响系统临界转速的因素作了详细分析,包括飞轮轴的结构尺寸、陀螺效应、电磁轴承的刚度和阻尼,通过对比分析数据,找到各因素对临界转速的影响规律,从而优化参数,改善系统的振动特性。
[Abstract]:With the rapid development of economy and society, the energy crisis becomes more and more serious. As a new energy storage technology, flywheel energy storage has the advantages of high energy storage, high energy density, high efficiency, reliability and no pollution. With the appearance of high strength composite materials, the continuous development of motor and control system and the improvement of magnetic bearing technology, the flywheel energy storage system has been further improved in stress level, energy storage density and dynamic performance. It brings broad research space and application prospect for flywheel energy storage technology. By reading a large number of literatures, the research status of flywheel energy storage system at home and abroad is understood, and the overall structure design, the analysis of flywheel stress level and the study of system dynamic performance are completed, which is of great significance to the optimization of flywheel energy storage system. Firstly, according to the given technical index, the reasonable mechanical and electrical structure is determined for the flywheel system, and a series of important parts are selected to ensure the compact structure, good control, reliable operation of the whole system. Taking the circumferential winding composite flywheel as the research object, the geometric model of the whole flywheel rotor is established, and the motion balance equation of the flywheel is established by combining the composite mechanics knowledge. Finally, the theoretical expressions of radial stress and circumferential stress of flywheel rotor are obtained, which lays a theoretical foundation for the stress analysis of flywheel. The stress of single-layer and multi-layer flywheel rotor is analyzed in detail by ANSYS Workbench finite element software. For single-layer flywheel rotor, the effects of elastic modulus ratio, internal and external radius ratio and Poisson ratio on radial stress and circumferential stress of flywheel are analyzed, and for multi-layer flywheel rotor, the variation of rotor stress under multi-layer isomorphism and multi-layer isomerism is analyzed. The influence of radial thickness and interlaminar interference on stress is also considered. Finally, through the understanding of rotor dynamics and modal analysis theory, the natural frequency and mode shape of flywheel rotor system are obtained by using ANSYS Workbench software. At the same time, the factors influencing the critical speed of the system are analyzed in detail, including the structure size of the flywheel shaft, the gyro effect, the stiffness and damping of the electromagnetic bearing. In order to optimize the parameters and improve the vibration characteristics of the system.
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB33;TM91

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本文编号:2311155


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