10kWh飞轮储能系统的复合材料飞轮转子优化设计

摘要

随着能源问题日益严重，人们对提高能源利用率、减少能源浪费更加关注，飞轮储能技术作为一种比较新型的清洁储能方式，越来越受到能源界研究人员的重视。而如何通过对飞轮的优化设计，提高飞轮储能系统的储能密度成为飞轮储能研究的主要问题，所以本文以10kWh飞轮储能系统的研发设计为背景，基于提高系统储能密度对飞轮材料、结构、尺寸进行优化设计，并通过仿真分析验证优化设计的正确性。
　　本文根据10kWh飞轮储能系统的设计要求，为提高系统储能密度对飞轮进行初步设计。首先根据储能指标的需求，对飞轮的材料进行选择，确定以金属轮毂和复合材料轮缘来制备复合材料飞轮。其次根据10kWh额定转速要求，发现单层复合材料轮缘无法满足其强度要求。最后为提高复合材料飞轮径向强度，选择三层复合材料圆环过盈连接的方式制备复合材料飞轮。
　　按照初步设计时选择的材料性能和结构形式，对复合材料轮缘进行应力分析，以提高复合材料飞轮储能密度为目标，采用最优化算法中的二次序列规划法对复合材料轮缘结构进行优化分析。首先因为过盈配合影响复合材料轮缘中产生初始压应力，需要对复合材料轮缘的初应力进行分析。其次，基于平面应变理论，对复合材料轮缘的动态应力进行分析。对二次序列规划法中的设计变量、目标函数和约束条件进行分析，建立系统最优化问题的数学模型，对复合材料轮缘各层厚度和过盈量进行优化计算。最后根据优化计算结果，建立复合材料轮缘模型，利用ANSYS软件对其进行应力应变分析。
　　以提高复合材料飞轮储能密度为目标，在确定复合材料轮缘结构尺寸后，对铝合金轮毂进行结构优化，首先对10kWh飞轮储能系统的储能指标进行分析，得到轮毂设计高度和半径的关系式，以及轮毂的应力分布表达式。其次，采用最优控制理论进行结构优化，建立飞轮优化问题的数学模型，得到飞轮形状的数学解析式，经过计算分析得到优化后的铝合金轮毂的结构参数以确定复合材料飞轮结构。最后并采用ANSYS对其进行强度分析，确保复合材料飞轮的强度符合要求。
　　本文根据10kWh飞轮储能系统的电磁轴承设计的结构参数和控制参数，分析电磁轴承的等效刚度和等效阻尼的取值范围，采用有限元法对转子系统临界转速的分布进行计算，得到初始设计状态下的转子临界转速分布，并对其进行模态分析。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 复合材料飞轮转子优化设计研究现状

1.3 转子动力学研究现状

1.4 论文研究的主要内容

第2章 复合材料飞轮的初步设计

2.1 复合材料飞轮的性能要求

2.2 复合材料飞轮材料选择

2.3 复合材料飞轮的制备

2.4 复合材料飞轮的多环过盈装配

2.5 本章小结

第3章 复合材料飞轮轮缘结构优化设计

3.1 复合材料飞轮轮缘的应力分析

3.2 复合材料飞轮轮缘的优化设计

3.3 复合材料轮缘的应力应变分析

3.4 本章小结

第4章 复合材料飞轮金属轮毂结构优化设计

4.1 金属轮毂的应力分析

4.2 金属轮毂的结构优化

4.3 复合材料飞轮的轮毂应力应变仿真分析

4.4 复合材料飞轮整体应力应变仿真分析

4.5 本章小结

第5章 复合材料飞轮稳定性分析

5.1 等效刚度和等效阻尼分析

5.2 系统临界转速分析

5.3 转子系统模态分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢