论文摘要：复合材料储能飞轮结构设计研究

摘 要飞轮储能装置是一种利用高速旋转的转子存储能量的机械储能装置。近年来，高性能飞轮储能系统在航天姿态控制/储能一体化、不间断电源、车辆混合动力等方面表现出广阔的应用前景。转子是飞轮储能系统的关键部件。由于复合材料具有比强度高，使用寿命长，重量轻，具有可设计性，安全性能好等特点，而成为高速储能飞轮转子的首选材料。本文针对复合材料储能飞轮转子结构分析和设计的关键技术进行了研究。首先，基于通用有限元分析软件ANSYS，对平面应力状态下复合材料转子结构进行应力分析，计算结果与理论分析结果能较好的吻合。在此基础上，对三维应力状态下的复合材料内转子和外转子结构进行了应力分析，并分析了其主要失效形式。然后，讨论了载荷、材料和结构尺寸三类关键设计参数对转子应力分布的影响，为复合材料转子结构的设计提供思路。针对某储能/姿控两用复合材料飞轮结构进行了初步的设计，在综合考虑飞轮角动量、重量、刚度分布、体积等因素的基础上，基于优化设计软件iSIGHT和结构分析软件ANSYS对飞轮结构的外形尺寸进行优化设计，使储能密度达到最大。最后，利用ANSYS的参数化设计语言APDL建立了通用的复合材料转子有限元分析程序，并利用ANSYS用户界面设计语言UIDL进行了封装，开发了简便、易用的复合材料转子虚拟设计平台，提高了分析和设计便捷性。本文的工作为复合材料储能飞轮转子的设计、试验和制造提供了参考和理论依据。