厚壁复合材料飞轮固化过程数值模拟分析

摘要

飞轮储能是通过飞轮转子的旋转将电能、风能等其他形式的能源转化为动能，并加以储存的新型储能技术，具有效率高、适应性强、占地面积小、使用寿命长、储能密度大、经济环保等优点。传统的飞轮转子采用金属材质制成，已不能满足当前对飞轮转子高速旋转的强度要求。随着新型纤维复合材料技术的不断发展，复合材料储能飞轮以其在刚度和密度方面的优势，应用范围逐渐扩大。但是，作为厚壁壳体的储能飞轮在成型工艺上也有自身的特点，由于厚度的增加，固化过程中厚度方向容易出现温度梯度，导致材料不均匀固化及分层现象的发生，影响最终成型质量和尺寸精度。利用数值模拟的方法，可以准确模拟复合材料固化过程，预测固化变形量，为减少壳体固化变形及成型工艺优化提供理论依据。
　　本文对固化炉成型工艺的储能飞轮固化过程进行数值模拟，建立热化学分析模型，利用ANSYS有限元分析软件及APDL参数化设计语言编写仿真程序，模拟纤维缠绕复合材料飞轮的固化过程，分析温度和固化度场的变化情况，以及温度和固化度场之间的相互影响。为确定模具对飞轮内部多场变化规律的影响，对比研究了带模具建模和不带模具建模时，复合材料内部温度场、固化度场分布情况。结果表明:在复合材料固化初始阶段，模具可以起到良好的媒介作用，将热量迅速传递给复合材料;固化反应进行中和结束后，模具将固化反应产生的热量及时传递出去，减少热量堆积。
　　在热分析的基础上，考虑复合材料参数随温度、固化度变化情况，建立复合材料储能飞轮的固化变形分析模型，得到最终的固化变形云图。由于受飞轮厚度方向温度梯度的影响，固化变形量也呈现梯度分布。通过带模具建模和不带模具建模两种情况对比分析得出，由模具引起的固化变形在总变形量中占有一定比例。同时，分析了材料截面厚度、固化温度和模具材质对复合材料内部温度梯度、中心节点峰值温度和最终固化变形量的影响。为构件几何形状设计、优化固化工艺及减小固化变形量提供理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 固化过程中温度场固化度场分析

1．2．2 固化过程中残余应力和固化变形分析

1．3 论文主要研究内容

第2章 固化过程的数学分析模型

2．1 概述

2．2 固化反应热力学模型

2．2．1 热传导模型

2．2．2 固化反应动力学模型

2．3 应力／应变模型

2．3．1 树脂弹性模量模型

2．3．2 复合材料力学性能参数预报模型

2．3．3 膨胀系数和化学收缩预报模型

2．3．4 树脂体积收缩模型

2．3．5 各模块之间的关系

2．4 数值解法

2．4．1 空间域上的离散

2．4．2 时间域上的离散

2．4．3 牛顿—拉夫逊

2．4．4 质量集中

2．4．5 应变模块解析

2．5 仿真及APDL流程图

2．6 算法验证

2．7 三维有限元模型的建立

2．7．1 参数设置

2．7．2 有限元分析模型

2．8 本章小结

第3章 储能飞轮固化过程数值模拟分析

3．1 复合材料飞轮固化过程分析

3．1．1 温度场分析

3．1．2 固化度场分析

3．2 考虑模具影响的固化过程分析

3．2．1 温度场分析

3．2．2 固化度场分析

3．3 本章小结

第4章 储能飞轮固化变形分析

4．1 固化过程中材料力学参数仿真分析

4．2 残余应力及固化变形仿真分析

4．2．1 不考虑模具影响的固化变形

4．2．2 考虑模具影响的固化变形

4．3 固化变形影响因素分析

4．3．1 复合材料厚度对固化变形的影响

4．3．2 固化炉中环境温度对固化变形的影响

4．3．3 模具材质对固化变形的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢