大张力缠绕碳纤维复合材料飞轮转子结构设计研究

作     者：惠鹏 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：祖磊

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：复合材料 纤维缠绕 飞轮转子 大张力 高速旋转 

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30000 RPM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49.7 Wh/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。