基于复合材料的飞轮转子结构研究

摘要

将高速运转的飞轮所拥有的能量以机械能的形式进行存储，待需要时再转变为电能释放出来是一种应用价值较高的储能方式。因其具有一系列如储能密度高、对环境零污染、可用年限长等优点而受到广泛青睐。作为储能飞轮系统中的关键部件，转子的结构合理性直接关系到飞轮的储能价值。
　　本文预测了玄武岩纤维复合材料的物理性能参数、确定了转子轮毂材料和铺层角度。采用ANSYS有限元分析软件对玄武纤维复合材料转子、玻璃纤维转子、芳纶纤维转子和碳纤维转子的单层结构进行了分析。当过盈量为0.2 mm时，玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维复合材料均不适合作为轮缘材料，碳纤维复合材料可以作为轮缘材料。当过盈量增加到0.5 mm时，玻璃纤维复合材料转子因安全性较差不适合作轮缘材料，其余三种纤维材料符合设计要求。同时，本文分别对玄武岩纤维、芳纶纤维、碳纤维的单层结构复合材料飞轮转子的最大转速进行了预测，玄武岩纤维复合材料飞轮转子的最大转速为16000rpm、芳纶纤维的最大转速为17500rpm、碳纤维复合材料飞轮转子的最大转速为23000rpm。
　　同时，本文也对玄武岩纤维/玄武岩纤维和玄武岩纤维/碳纤维的双层复合材料飞轮转子的结构进行了研究。研究结果显示，同构玄武岩纤维复合材料飞轮转子的径向压应力要低于异构玄武岩纤维复合材料飞轮转子，双层结构能够降低径向拉应力，增加了复合材料飞轮转子的可靠性。其环向应力不连续，最大环向应力值出现在外层材料内表面。分层优化结果显示，等厚分层轮毂应力最小，其轮缘为径向压应力。内外层厚度比为2.33:1时转子的力学性能最差，因此选择等厚分层方式。
　　本文的研究结果对复合材料飞轮转子的设计与制造提供了基本数据与参考实践。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 储能飞轮系统概述

1.3 储能飞轮系统的研究现状

1.4 飞轮转子材料

1.5飞轮转子轮缘成型工艺

1.6有限元法

1.7 本文研究的主要内容

第2章 复合材料飞轮转子的力学模型建立与材料性能预测

2.1 正交各向异性弹性体力学基本方程

2. 2 复合材料飞轮转子的力学模型

2.3玄武岩纤维复合材料的物理性能参数预测

2.4 本章小结

第3章 单层复合材料转子应力分析

3.1 概述

3.2 有限元建模

3.3 轮毂材料的应力分析

3.4 铺层角度应力分析

3.5 轮缘材料应力分析

3.6 复合材料飞轮转子的转速研究

3.7 本章小结

第4章 双层复合材料转子应力分析

4.1 概述

4.2 铺层材料应力分析

4.3 双层复合材料飞轮转子分层优化

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢