大张力缠绕碳纤维复合材料飞轮转子结构设计研究

摘要

复合材料飞轮储能系统具有储能密度高、质量轻、效率高、寿命长、无污染等特点，从众多储能技术中脱颖而出。碳纤维复合材料具有较高的比强度、比刚度以及不产生高频涡流损耗等特点，成为制作飞轮转子轮缘的首选材料。无张力缠绕工艺制作的复合材料飞轮转子径向强度较低，无法充分发挥复合材料高比强度的特性。多环过盈装配技术能够有效改善转子径向应力分布，但机加工和过盈装配极易导致复合材料层产生损伤、开裂、毛刺、崩块及分层等缺陷。大张力缠绕成型技术不仅能改善飞轮转子径向应力分布，还能避免装配工艺对复合材料层的损伤。因此，研究大张力缠绕技术制备高性能复合材料飞轮转子具有重要的意义。 本文针对高速飞轮转子对材料的要求选择合适的材料，测试了铝合金、环氧树脂浇铸体以及三种类型纤维与树脂复合后的基本力学性能，为解析分析和数值仿真分析提供基本的材料参数。基于平面应力假设建立了轴对称飞轮转子的解析模型，推导出大张力缠绕成型过程和高速旋转时飞轮转子的应力应变表达式。分析了在30000RPM工作转速下张力制度、材料搭配和材料厚度分配对转子应力分布的影响，确定了最佳张力制度和三种复合材料层的厚度。借助ANSYS有限元软件建立复合材料飞轮转子三维模型，采用等效温度场法模拟缠绕张力，采用单元生死法和重启动技术实现逐层缠绕和分层固化，创建接触单元保证径向应力的有效传递。分析了制备过程和高速旋转时转轴和轮毂的等效应力分布及各材料接触面的压应力分布。针对初始设计方案存在的不足，优化轮毂结构及改进转轴和轮毂的连接方式来改善飞轮转子应力分布。综合解析分析和数值仿真分析结果，获得了飞轮转子的最佳结构和缠绕工艺参数。该复合材料飞轮转子的工作转速下的储能密度为49.7Wh/kg。 采用大张力缠绕技术制备了四个薄壁复合材料飞轮转子试验件，使用应变片和薄膜压力传感器测试了制备过程轮毂径向应变及轮毂和轮缘接触面的压应力变化趋势。得到的测试值与解析值及仿真值基本一致，本文建立的有限元模型具有较高的准确性，适用于大张力缠绕复合材料飞轮转子数值仿真分析。最后，依据飞轮转子几何结构和工艺参数制备了复合材料飞轮转子样件。

目录

声明

主要符号对照表

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 飞轮储能系统概述

1.2.1飞轮储能系统的工作原理及构造

1.2.2 飞轮储能系统的应用领域

1.2.3复合材料飞轮转子成型技术

1.3 大张力缠绕成型技术

1.4 飞轮转子的研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.4.3 存在的主要问题

1.5 论文主要内容与研究思路

1.5.2 研究思路

第2章 材料选择与力学性能测试

2.1 飞轮转子对材料的要求

2.2 合金钢和铝合金

2.3 环氧树脂

2.4 玻璃纤维和碳纤维

2.5 实验仪器和设备

2.6 铝合金基本力学性能测试

2.7 复合材料基本力学性能测试

2.7.1 环氧树脂浇铸体的制备与力学性能测试

2.7.2 复合材料热膨胀系数的测定

2.7.3 复合材料试样的制备与力学性能测试

2.8 本章小结

第3章 大张力缠绕飞轮转子应力应变解析分析

3.1 复合材料力学分析基础

3.1.1 各向异性弹性力学基本方程

3.1.2 正交各向异性材料的工程弹性常数

3.2 复合材料飞轮转子在离心载荷下的应力应变分析

3.2.1 转轴与轮毂应力应变分析

3.2.2 复合材料缠绕层应力分析

3.3 大张力缠绕过程中转子应力应变分析

3.3.1 转轴与轮毂应力应变分析

3.3.2 复合材料缠绕层应力应变分析

3.3.3 缠绕过程转子应力应变分析

3.4 复合材料飞轮转子强度准则

3.5 张力缠绕飞轮转子解析模型验证

（1）算例分析一

（2）算例 分析 二

3.6 张力制度对飞轮转子应力的影响

3.7 材料搭配对飞轮转子应力的影响

3.8 材料厚度分布对飞轮转子应力的影响

3.9 本章小结

第4章 飞轮转子数值仿真分析与结构优化

4.1 飞轮转子有限元模型

4.1.1 几何模型的创建

4.1.2 单元类型的选择

4.1.3 接触条件的设置

4.1.4 缠绕张力的施加

4.1.5 单元生死法的应用

4.1.6 分层固化的实现

4.2 复合材料飞轮转子应力分布

4.3 铝合金轮毂结构的优化

4.4 转轴和轮毂连接方式的优化

4.5 本章小结

第5章 大张力缠绕复合材料飞轮转子样件实验

5.1 大张力缠绕成型工艺

5.1.1 数控缠绕机

5.1.2 大张力缠绕工艺关键点

5.2 复合材料飞轮转子成型工艺过程

5.3 本章小结

第6章 飞轮转子轮毂应变及材料接触面压应力测试

6.1 轮毂应变与材料接触面压应力测试

6.1.1 薄膜压力传感器及测试系统

6.1.2 压力传感器标定

6.1.4 轮毂径向应变与材料接触面压应力测试

6.2 有限元模型准确性验证

6.3 本章小结

第7章 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果