复合材料飞轮储能密度分析

发布时间：2017-12-26 18:32

本文关键词：复合材料飞轮储能密度分析　出处：《太原科技大学》2012年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：飞轮储能是一种新型无污染的绿色能源技术,为了提高飞轮的储能密度，多采用高比模量、高比强度的纤维增强复合材料来制备飞轮转子。复合材料是各向异性材料,通常所说的复合材料飞轮的强度高实际上是指纤维方向（环向）强度高，但垂直于纤维方向的横向强度（径向）较低，为解决飞轮转子径向强度不足的问题，现在有一些研究采用多个薄圆环过盈套装或预应力缠绕等技术。若多环复合材料圆环采用过盈装配技术，虽然过盈装配工艺能提高飞轮的转速，但是薄圆环的加工难度大，制造工艺要求非常严格，，导致飞轮的成本过高，限制了其普及和应用；预应力缠绕在预紧压应力的作用下，也会面临刚度屈曲问题。本论文利用复合材料的可设计性，从模量比出发来研究复合材料飞轮的储能密度，期望从材料利用方面使储能密度最大化。首先抛开复合材料的缠绕工艺，以材料的环向与径向模量比λ作为参量，利用ANSYS有限元分析软件，对给定尺寸不同材料的单环及多环同构和多环异构复合材料飞轮转子进行数值模拟，得出飞轮转子在高速旋转时的径向和环向应力分布规律，讨论飞轮结构（单环或多环）及材料特性（λ值不同）对应力分布的影响,通过调整λ值来实现应力场的较好分布。然后利用基于有限元的应力分析迭代算法求出飞轮转子的极限转速，进而计算各种情况下飞轮转子的储能密度，探讨模量比λ与储能密度的关系。通过本文的分析得出如下结论：金属材料飞轮转子的储能密度远小于λ2的复合材料飞轮转子的储能密度；多环飞轮转子的储能密度远远大于单环飞轮转子的储能密度，多环同构转子的环数越多，储能密度越大，且随着环数的增多，储能密度增加的幅度越大。所以在工艺许可范围内增加环数是有必要的；对于多环同构飞轮转子，储能密度随λ值增大而增大，即选择模量比较大的复合材料做飞轮转子是不错的选择；对于多环异构复合材料飞轮转子，选用从内径到外径λ逐渐增大的铺层顺序比较好。
[Abstract]:Flywheel energy storage is a new pollution-free green energy technology. In order to improve the energy storage density of flywheels, high speed modulus and high specific strength fiber reinforced composite materials are used to prepare flywheel rotor. The composite material is anisotropic material, the composite flywheel usually the high strength actually refers to the fiber direction (tangential) high strength, but the transverse strength perpendicular to the fiber direction (Jing Xiang) is low, in order to solve the problem of insufficient strength of flywheel rotor Jing Xiang, there are a number of studies using a plurality of thin circular ring interference or pre-stressed winding technology. If the polycyclic composite rings by interference assembly technology, although the assembly process can increase the rotational speed of the flywheel, but the processing difficulty of thin ring, the manufacturing process is very strict, leading to the flywheel high cost limits its popularization and application; pre stressed winding in the tight compressive stress under the action of will facing stiffness buckling. In this paper, the energy storage density of composite flywheel is studied based on the design of composite materials and the modulus ratio. We expect to maximize the storage density from the aspect of material utilization.
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH133.7

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