文档介绍：郑州大学
硕士学位论文
复合材料储能飞轮分层结构研究
姓名:阎耀辰
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:张恒
20040501
摘要本文首先利用相关的材料学和有限元数值方法,对复合材料储能飞轮的结构进行分析,得到复合材料储能飞轮应力场和应变场,确定了飞轮分层结构优化设计方案。其次,结合复合材料缠绕成型工艺,进行了复合材料储能飞轮分层结构的工艺设计。利用声发射技术,对飞轮材料进行断裂损伤研究,找出声发射曲线与损伤类型的关系,以便于实现复合材料储能飞轮无损检测。最后对复合材料飞轮进行旋转试验,针对其失效情况进行了探索,寻找提高复合材料储能飞轮最高转速的有效途径。研究结果表明采用分层结构工艺,可有效利用飞轮材料的性能,进一步提高复合材料储能飞轮的最高转速。关键词:复合材料储能飞轮有限元分层
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言引复合材料储能飞轮的研究和发展概述飞轮用于机械能量的储存较早,由于早期的飞轮转速普遍较低,采用一般的金属材料就能满足使用要求。现代飞轮作为机械能量储存器件时’最高转速已达到每分钟几十万转,飞轮轮缘的速度已超过音速,如果还用金属材料,其强度不能满足使用要求。近年来,新型复合材料和新技术迅速发展,如高强度的碳纤维复合材料、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机/发电机技术以及电力电子技术等,使得飞轮能够储存大量的能量,给储能飞轮的应用带来了新的活力。与传统的化学蓄电池相比,复合材料飞轮储能装置有许多优越的性能,其性能对比如当需要电能时,飞轮减速,电动机作发电机运行,将飞轮动能转换成电能。飞轮的升电源、低地球轨道卫星储能、大功率机车、电磁炮、鱼雷等方面广泛应用。美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大等国家已开展广泛的研究【研究,于世纪年代末期在低地球轨道卫星电力与姿态控制集成系统、转子飞轮储能的基本原理是由电能驱动飞轮到高速旋转,电能转变为机械能储存,速和降速,实现了电能的存入和释放【。飞轮储能技术在电力系统调峰、风力发电、太阳能发电、汽车供能、不问断美国宇航局芯恐行模兰甏鹁涂J剂宋佬呛教旆陕值表。表化学蓄电池与飞轮储能装置性能对比化学蓄电池可重复充电次数放电深度无限制间歇维护时间温度要求有要求无要求对环境的影响单位重量功率密度/单位重量储能密度痥使用寿命对比特性飞轮储能装置次有限制《鲈充电时间有污染,用后需回收无污染年~~小时∈~
制造工艺、飞轮磁悬浮等方面取得很大进展。在年拢陕肿K俅锏搅斯作转速/獗曛咀欧陕值绯卦诩际跎峡梢匀〈У绯亍】美国际空间站飞轮系统模型工程样机中,飞轮转速/捎梅聪蛩飞轮结构,目前此装置在地面试验中转速已经达到了/。旧陕值绯夭芬月阊杆僭龀さ目煽康摹⒎植际降缭需求。公司从年驴J级飞轮储能系统进行现场实验,通过试验和各种改进,确定了双飞轮结构,并在年第四季度,实验型产品问世。在年初进行面向扩展试验的销售和首次安装。有很多公司都选择了公司的飞轮系统作为其后备电源旧荷兰、德国、英国三方政府共同组成的公司研制了系列飞轮。飞轮的现场实验从年驴J迹月全系统运行。其技术指标:工作竟局饕I魑2晃识系缭吹姆陕值绯叵低常匀〈,解决当今对于电力品质的高要求。公司拥有项发明专利,,首期商业产品在年出货,该产品将通过功率输出提供紧急能源给因特网数据中心、通讯中心和一些公司的服务器中心,该产品已经被工程化并正在位于加利福尼亚州靖春喜牧戏陕稚杓浦圃旒际醭墒欤经有系列成品出售如:系列、系列、系列等,其中系列欧陕执锏阶速/姆陕执⒛芟低常捎枚嗖阍仓陕为了便于制造,复合材料飞轮转子常缠绕成空心圆筒。由于它的质量分布在远离中心处,增大了系统的储能能力,同时,减轻了飞轮的重量。圆筒状飞轮的结构目前主要有两种形式,即单层圆筒式和多层蚨嗷圆筒式;多层圆筒式转速痬,储能品有系列和盗小】。加拿大大学研制了储能量为结构,用碳纤维/环氧树脂制成,外径、内径、厚⒅.最大转速/又分为同构式和异构式两种。同构式飞轮的每层都使用相同的复合材料,异构式镜墓こЪ庸】。
本课题的研究内容强度高,而横向断强度低,飞轮常出现分层失效。为了解决这个问题,多层复合材料圆环可采用过盈装配。如日本—.,春喜牧鲜笛槭抑谱鞯母春喜牧戏陕郑层圆环经过盈装配而成。每层圆环缠绕成型后,根据过盈量的大小加工圆环的内外环面。把内层圆环放入液氨中冷冻,待其形体尺寸缩小后再装入与之相邻的外层圆环。一层层的圆环装配完成后,因为各层圆环之间有一定的过盈量,飞轮内部就会产生预紧应力,抵消了一部分飞轮高速旋转产生的径向应力,从而提高了飞轮的转速。此飞轮内径、外径⒑.,最高转速达/虽然过盈装配工艺能提高飞轮的转速,但是薄圆环的加工难度大,制造工艺要求严格,导致飞轮成本过高,限制了其普及和应用。本课题的研究内容是:⑼ü