復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪包容環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊敏超

摘要：儲(chǔ)能要求的提高使得飛輪轉(zhuǎn)速增加，可能造成飛輪的破損和脫落。本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料包容環(huán)用于金屬材料飛輪轉(zhuǎn)子的加固，防止在轉(zhuǎn)速高到15000轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)出現(xiàn)破損或脫落造成不安全問(wèn)題。并通過(guò)有限元分析得到包容環(huán)的周向，軸向和徑向應(yīng)力，為設(shè)計(jì)復(fù)合材料包容環(huán)的纖維鋪層方向比例提供參考。

關(guān)鍵詞飛輪；轉(zhuǎn)速；復(fù)合材料；破損

中圖分類號(hào)THl21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)2095-6363（2017）04-0028-01

利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪儲(chǔ)能是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型儲(chǔ)能技術(shù)，在需要高能傳輸和單位質(zhì)量高能儲(chǔ)備的情況下，飛輪儲(chǔ)能裝置比電化學(xué)電池更先進(jìn)。目前飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)得到了世界各國(guó)的高度重視，并投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行深度研究，尤其是美、英、德、日本等國(guó)家投入最大。近年來(lái)，儲(chǔ)能飛輪以其儲(chǔ)能、高功率、無(wú)污染、適用廣、無(wú)噪音、長(zhǎng)壽命、維護(hù)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作等特點(diǎn)。在電動(dòng)汽車、航空航天及軍事領(lǐng)域展示了廣闊的前景。

飛輪儲(chǔ)能的提高以提高飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)實(shí)現(xiàn)，但必須在材料不產(chǎn)生破壞和變形的前提下，來(lái)增加轉(zhuǎn)速和質(zhì)量，從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目的。轉(zhuǎn)速的增加使得飛輪的離心力變大，極易引起輪緣崩裂，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是會(huì)造成人員受傷。本文著重研究了復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪包容環(huán)，用于金屬材料飛輪轉(zhuǎn)子的加固，防止在轉(zhuǎn)速高到15000轉(zhuǎn)/分鐘出現(xiàn)破損或脫落造成不安全問(wèn)題。復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合材料飛輪包容環(huán)采用了高強(qiáng)度纏繞技術(shù)，打破了以往轉(zhuǎn)速過(guò)高而引起的崩裂的約束。

1.飛輪結(jié)構(gòu)形式描述

飛輪儲(chǔ)能器是將電能轉(zhuǎn)換成白轉(zhuǎn)動(dòng)能或反向轉(zhuǎn)換的裝置，飛輪儲(chǔ)能器包括芯軸，飛輪和復(fù)合材料包容環(huán)，包容環(huán)主要作用是在金屬轉(zhuǎn)子破碎時(shí)起包容的作用。飛輪和復(fù)合材料包容環(huán)之間為過(guò)盈裝配。飛輪儲(chǔ)能器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.飛輪包容環(huán)受力形式分析

當(dāng)飛輪包容環(huán)以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，它在離心慣性力作用下的應(yīng)力狀態(tài)是一個(gè)廣義平面應(yīng)力問(wèn)題。由于飛輪幾何形狀是軸對(duì)稱的，而且它的受力狀態(tài)和邊界條件也是軸對(duì)稱的，這樣，飛輪的變形、應(yīng)變、應(yīng)力具有軸對(duì)稱性。通過(guò)理論推導(dǎo)，可以得到飛輪的應(yīng)力分量表達(dá)式：

3.包容環(huán)的有限元建模

因?yàn)閺?fù)合材料包容環(huán)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且受到的載荷為對(duì)稱載荷，所以只選取結(jié)構(gòu)的1/8來(lái)建立有限元模型，如圖2所示。

采用的單元為六面體單元，為了更準(zhǔn)確的得到分析結(jié)果，在其內(nèi)外環(huán)處分別建立一層很薄的不影響結(jié)構(gòu)剛度的面單元，賦予0度鋪層的屬性。有限元分析結(jié)果表明，包容環(huán)最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)環(huán)處，體單元上的應(yīng)力為平均應(yīng)力，不能真實(shí)的反映最內(nèi)層的應(yīng)力狀態(tài)，而內(nèi)環(huán)建立的面單元，與體單元變形協(xié)調(diào)，可以得到最內(nèi)層的較真實(shí)的周向應(yīng)力狀態(tài)。

但是面單元沒(méi)有徑向?qū)傩裕荒芊从辰Y(jié)構(gòu)徑向的應(yīng)變水平。實(shí)際中由于泊松比的作用，徑向應(yīng)力對(duì)軸向的應(yīng)變影響較大，而對(duì)周向應(yīng)變影響可以忽略，所以面單元得到的周向應(yīng)力是準(zhǔn)確的，但是軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力只能通過(guò)體單元得到。經(jīng)計(jì)算得到如下有限元結(jié)果，見(jiàn)圖3～圖5。其中徑向應(yīng)力為129MPa，周向應(yīng)力526MPa，軸向應(yīng)力32.7MPa。

通過(guò)Tsai Wu準(zhǔn)則來(lái)校核周向（0度方向）和軸向（90度方向）的材料是否失效，徑向（厚度方向）直接與材料厚度方向的許用值比較。得到Ms為0.08，滿足強(qiáng)度要求。

4.結(jié)論

1）通過(guò)分析可知，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪包容環(huán)，用于金屬材料飛輪轉(zhuǎn)子的加固，防止飛輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)破損或脫落是可行的。

2）根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，包容環(huán)的周向載荷最大，在復(fù)合材料包容環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)在周向方向增加0。纖維方向的比例。

3）高比強(qiáng)度比剛度的復(fù)合材料已經(jīng)逐步應(yīng)用到飛輪本體，提高飛輪的儲(chǔ)能能力，本文可以為復(fù)合材料飛輪本體的計(jì)算提供參考。