弹性储能系统平面涡卷弹簧优化设计及模拟仿真

摘要

风能是典型的随机性和间歇性能源，风电并网给电网会带来冲击，影响了电网的稳定运行，并成为制约风电发展的瓶颈。在风力发电系统中引入储能系统，利用其动态吸收能量并适时释放能量的特点，可改善风电场输出功率的可控性，提升电网的稳定性。本文在机械式弹性储能-发电系统方案设计基础上，根据大容量储能的要求，对其关键部件平面涡卷弹簧开展了优化设计及模拟仿真的研究，主要包括:
　　 首先，研究了平面涡卷弹簧及其特性曲线，对其进行设计计算和储能密度计算;
　　 其次，以储能密度最大为优化目标，以矩形截面平面涡卷弹簧的截面形状尺寸为设计变量，对涡卷弹簧进行了优化，并对优化后平面涡卷弹簧储能密度进行了计算和比较，得出优化后的涡簧可有效提高储能密度;
　　 再次，对优化后的平面涡卷弹簧建立了有限元模型，运用有限元软件ansys对其进行了应力分析和模态分析，通过应力分析，得到了涡簧的最大变形量和最大应力值，及其在受到固定扭矩作用下的变形情况;通过模态分析，得到了涡簧前20阶振型图以及所对应的固有频率;
　　 最后，用Pro/E wildfire5.0软件建立优化后涡簧实体模型，利用ADAMS平台，建立了涡簧柔性体模型并对其进行了动力学仿真分析，得到了涡簧的变形图和施加了恒定角速度的涡簧的刚度曲线和储能曲线，仿真结果与涡簧实际刚度变化曲线相一致。
　　 本文研究成果提高了平面涡卷弹簧储能密度，为大容量机械式弹性储能提供了新思路和良好的借鉴。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 各种储能技术研究现状

1．2．1 常见储能技术

1．2．2 机械储能中的弹簧储能

1．3 课题研究内容

第2章 平面涡卷弹簧设计及储能密度计算

2．1 平面涡卷弹簧

2．1．1 平面涡卷弹簧简介

2．1．2 平面涡卷弹簧的特性曲线

2．2 平面涡卷弹簧计算

2．2．1 平面涡卷弹簧基本计算

2．2．2 平面涡卷弹簧储能密度计算

2．3 本章小结

第3章 平面涡卷弹簧优化

3．1 弹性储能系统-发电系统方案

3．2 弹性储能系统储能原理

3．3 平面涡卷弹簧截面优化

3．4 异型截面涡簧储能密度计算及比较

3．5 本章小结

第4章 异型截面平面涡卷弹簧的有限元分析

4．1 有限元分析及软件介绍

4．2 异型截面平面涡卷弹簧力学模型

4．3 边界条件的确定

4．4 异型截面平面涡卷弹簧应力分析

4．5 异型截面平面涡卷弹簧的模态分析

4．6 本章小结

第5章 异型截面平面涡卷弹簧动力学仿真研究

5．1 动力学分析软件ADAMS

5．2 柔性体

5．2．1 柔性体基本概念

5．2．2 柔性体生成方法

5．3 截面优化前后平面涡卷弹簧动力学仿真

5．3．1 ADAMS中异型截面涡簧柔性体模型建立

5．3．2 异型截面涡簧动力学分析

5．3．3 截面优化前后涡簧动力学分析比较

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其它成果

致谢