文档介绍：学校代号:10532
学号:B06021031
密级:
湖南大学博士学位论文
储能飞轮优化设计理论与方法研究
学位申请人姓名: 闫晓磊
导师姓名及职称: 钟志华教授
培养单位: 机械与运载工程学院
专业名称: 机械设计及理论
论文提交日期: 2011 年 11 月
论文答辩日期: 2012 年 3 月
答辩委员会主席: 文桂林教授
Research on Optimization Design Theory and Methods of Flywheel for
Energy Storage
By
YAN Xiaolei
B. E. (Harbin Institute of Technology) 2004
A dissertation submitted in partial satisfaction of the
Requirements for the degree of
Doctor of Engineering
In
Mechanical Design and Theory
in the
Graduate School
of
Hunan University
Supervisor
Professor ZHONG Zhihua
November, 2011
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取
得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何
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的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法
律后果由本人承担。
作者签名: 日期: 年月日
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本学位论文。
本学位论文属于
1、保密□,在______年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名: 日期: 年月日
导师签名: 日期: 年月日
I
储能飞轮优化设计理论与方法研究
摘要
在能源和环境问题日益严峻的今天,节能和环保技术已成为国内外研究的前
沿和热点。储能技术是实现能源高效利用的重要途径,深受能源界和工业界的重
视。飞轮储能技术具有储能密度大、功率密度大、效率高、寿命长、低污染等优
点,在航空航天、汽车、电力系统等领域具有非常广泛的应用前景。高速旋转的
飞轮是飞轮储能系统最核心的储能部件,因此,飞轮设计问题是实现飞轮系统储
能的关键技术,将直接决定飞轮系统的储能性能。本论文在吸收现有研究成果的
基础上,深入研究了影响飞轮储能性能的关键因素,针对各向同性材料飞轮、纤
维增强复合材料飞轮及功能梯度材料飞轮,提出和改进了提高飞轮储能性能的方
法和措施,进一步完善了高速储能飞轮优化设计的理论与方法,为设计和研制性
能可靠、性价比高的储能飞轮,提供了重要的理论依据和实现途径。
本文深入研究了各向同性材料飞轮的形状优化设计问题,分析了转速对飞轮
形状的影响,通过将飞轮转速划分为低速、中速和高速三个阶段,采用最优控制
理论,直接得到了飞轮最优形状的解析表达式,克服了飞轮一般形状优化方法效
率低的缺点;通过比较实心、空心飞轮低速、中速和高速情况下的最优形状,揭
示了各向同性材料实心和空心飞轮最优形状随转速改变呈阶段性变化的规律。最
后,根据飞轮形状优化的研究结果,设计了低成本、低转速工况的金属材料飞轮
的最优结构,并将其用作汽车碰撞试验系统的动力牵引装置,以仅 30 kW 功率的
电机,完成了某微型客车的实车正碰试验,验证了飞轮储能在汽车碰撞试验系统
中应用的可行性。
本文在深入分析传统渐进结构拓扑优化方法存在的问题和不足的基础上,引入
新的材料插值模型和新的性能收敛指标,改进了传统的基于 von Mises 应力的双向
渐进结构优化(BESO)算法。并结合有限元软件 Abaqus 和编程语言 Matlab 实现了
该改进的 BESO 算法。运用改进 BESO 算法,本文又进一步研究了各向同性材料飞
轮的拓扑结构优化问题,并得到了结构合理、边界清晰的飞轮最优拓扑结构。最后