碳纤维复合材料飞轮的设计

发布时间：2017-09-25 13:41

  本文关键词：碳纤维复合材料飞轮的设计

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【摘要】：飞轮储能技术具有储能密度大、比功率大、充放电快、寿命长、无污染等特点,在众多储能技术中脱颖而出。为了提高飞轮的储能密度,需要提高飞轮的转速,但同时飞轮的离心应力增大,当离心应力增大到飞轮材料强度极限时,飞轮将发生破坏。碳纤维复合材料强度高,可以承受较大的离心应力,但碳纤维复合材料在纤维纵向(环向)具有高强度,而横向(径向)强度较低,所以飞轮的转速主要由纤维横向强度限制。复合材料飞轮转子的振动特性会影响飞轮储能系统运转的稳定性,应对复合材料飞轮转子做模态分析。因此碳纤维复合材料飞轮的径向强度和复合材料飞轮转子的模态是复合材料飞轮设计中两项重要研究内容。 本文首先分析了储能飞轮对材料的要求,介绍了制造复合材料飞轮常用材料的性能。阐述了复合材料飞轮的制作工艺,如复合材料圆环的缠绕固化工艺,以及多环过盈装配工艺所包含的温差法和压入法,为制造复合材料飞轮提供了具有一定指导意义的工艺方法。 建立了正交各向异性材料轴对称问题的理论模型,给出了受惯性力作用的正交各向异性圆盘的径向和环向应力分布规律。分析了过盈量与轮缘初应力的关系,并建立了轮毂与轮缘过盈装配时,过盈量与轮缘初应力的定量关系。提出了在多环过盈装配时,合理设计内层圆环和外层圆环过盈量使轮缘在高速旋转时的径向应力更加均匀。针对结构尺寸有限制的复合材料飞轮,建立了过盈量确定准则。利用ANSYS软件分析了相关算例,说明有限元法的可行性。通过分析张紧力缠绕模型,提出了配合多环过盈装配工艺的张紧力制度。 针对实验室飞轮储能系统的储能要求,依据过盈量确定准则,设计了两环过盈装配碳纤维复合材料飞轮,利用有限元法验证设计的可靠性,该复合材料飞轮的工作转速为40Kr/min,储能密度提高4.26倍,储能量提高5.58倍。由于现有的模态分析软件不能计算过盈装配复合材料飞轮的模态,故只对多环复合材料飞轮转子的简化模型进行分析,结果与单层无明显差异,单层复合材料飞轮的模态结果对于设计多环飞轮有一定的指导意义。对设计的两环过盈装配碳纤维复合材料飞轮转子进行模态分析,知该飞轮可以在设计转速下稳定工作。
【关键词】：碳纤维复合材料飞轮 过盈量 张紧力制度 模态分析
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.7;TB332
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 引言9-12
• 1.2 复合材料飞轮的研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 本课题研究目的与意义15
• 1.4 本文研究的主要内容15-17
• 第2章 复合材料飞轮的制作工艺17-25
• 2.1 复合材料飞轮的主要材料17-20
• 2.1.1 飞轮对材料的要求17-18
• 2.1.2 常用的增强纤维及其性能18
• 2.1.3 环氧树脂材料的性能18-19
• 2.1.4 轮毂材料的性能19-20
• 2.2 复合材料飞轮的制作工艺20-24
• 2.2.1 复合材料飞轮的轮毂20
• 2.2.2 复合材料飞轮圆环的缠绕技术20-22
• 2.2.3 复合材料飞轮的过盈装配技术22-24
• 2.3 小结24-25
• 第3章 复合材料飞轮的应力分析25-49
• 3.1 基本理论及飞轮力学模型25-27
• 3.2 多环复合材料飞轮的应力分析27-40
• 3.2.1 两环复合材料轮缘的初应力分析27-30
• 3.2.2 多环复合材料轮缘的应力分析30-32
• 3.2.3 装配轮毂后轮缘的初应力分析32-33
• 3.2.4 算例与分析33-39
• 3.2.5 过盈量确定准则39-40
• 3.3 多环复合材料飞轮应力的有限元分析40-46
• 3.4 缠绕复合材料飞轮的张紧力制度分析46-48
• 3.4.1 张紧力缠绕模型47
• 3.4.2 飞轮缠绕张紧力制度47-48
• 3.5 小结48-49
• 第4章 碳纤维复合材料飞轮的设计和模态分析49-66
• 4.1 碳纤维复合材料飞轮的结构设计49-54
• 4.1.1 复合材料飞轮的设计要求49-50
• 4.1.2 飞轮轮毂的设计50-51
• 4.1.3 碳纤维复合材料轮缘的设计51-54
• 4.2 碳纤维复合材料飞轮应力的有限元分析54-57
• 4.3 碳纤维复合材料飞轮转子的模态分析57-64
• 4.3.1 模态分析原理57-58
• 4.3.2 碳纤维复合材料飞轮转子的模态分析58-62
• 4.3.3 碳纤维复合材料飞轮转子应用实例的模态分析62-64
• 4.4 小结64-66
• 第5章 总结与展望66-68
• 5.1 研究总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张力,张恒;复合材料飞轮研究进展[J];兵器材料科学与工程;2001年05期

2 李成;郑艳萍;铁瑛;;边界条件对复合材料储能飞轮应力及位移分布的影响[J];兵工学报;2008年10期

3 贾红雨;李成;杨洁;苏玉珍;;复合材料储能飞轮转子有限元分析[J];玻璃钢/复合材料;2009年04期

4 戴兴建;唐长亮;张剀;;先进飞轮储能电源工程应用研究进展[J];电源技术;2009年11期

5 宫能平,夏源明,毛天祥;复合材料飞轮的三维应力分析[J];复合材料学报;2002年01期

6 秦勇,夏源明,毛天祥;复合材料空心飞轮多环套装整体变形及应力简化精细分析[J];复合材料学报;2003年05期

7 秦勇,夏源明,毛天祥;纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析[J];复合材料学报;2003年06期

8 秦勇,夏源明,毛天祥;计及复合材料飞轮内孔卸载影响的多厚环套装的简化分析[J];复合材料学报;2004年02期

9 秦勇,夏源明,毛天祥;多环环间混杂复合材料飞轮离心应力分析[J];复合材料学报;2004年04期

10 秦勇,王硕桂,夏源明,毛天祥;复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验[J];复合材料学报;2005年04期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 左惟炜;三维编织复合材料力学性能与工程应用研究[D];华中科技大学;2006年

2 李奕良;纤维缠绕飞轮强度分析与高效永磁轴承设计[D];清华大学;2008年

3 闫晓磊;储能飞轮优化设计理论与方法研究[D];湖南大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 梁栋;复合材料飞轮储能转子主体应力分析[D];浙江大学;2011年

2 邱宗玺;复合材料飞轮实时无损检测和实验研究[D];郑州大学;2003年

，

本文编号：917674