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飞轮转子主体结构应力分析与优化

黄秋露  
【摘要】:高速飞轮电池是一种新型储存装置,相比于其他储能方式,具有无污染、寿命长、适用性广、高储能密度、充放电速度快等优点。随着全球能源的日益匮乏和环境日趋恶化,高速飞轮电池具有广阔的应用前景。其主要由飞轮转子、轴承系统、电动/发电机、电力转换器、真空室模块组成。 飞轮的最大储能密度由其最高转速决定,而最高转速又受转子的径向强度限制。目前飞轮无法进一步提高转速,主要是因为无法进一步提高转子的径向强度。解决这一问题一般有两大方向:一种是增加复合材料本身的横向(垂直于纤维方向)强度;另一种是通过转子结构设计,来增加径向强度。 本文的主要成果在于通过结构设计来提高径向强度,利用解析式计算和有限元仿真,分析出在设计多环过盈装配时,最外层厚度是决定飞轮最大转速的决定性因素,而最外层轮缘的厚度受到三大制约条件:一是材料在固化降温时产生的热残余应力;二是飞轮高速旋转时在轮缘内部产生的离心力;三是在轮缘多环过盈装配时,最外层轮缘所形成的预压应力。为了理清这三大因素对于轮缘结构的影响,本文综合运用了Ansys,UG, Mathematica等软件,建立了飞轮转子的宏观和微观模型,推导出多层过盈装配后的结构应力、应变方程、分析各个参数的权重,模拟分析出了飞轮的两种主要的失效形式,以及计算出飞轮的实际最大转速,最终优化设计出在固定转子轴向长度和外径的条件下,具有最大储能密度的飞轮转子。


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