復合材料儲能飛輪包容環的結構設計

楊敏超

摘要：儲能要求的提高使得飛輪轉速增加，可能造成飛輪的破損和脫落。本文設計了一種復合材料包容環用于金屬材料飛輪轉子的加固，防止在轉速高到15000轉/分鐘時出現破損或脫落造成不安全問題。并通過有限元分析得到包容環的周向，軸向和徑向應力，為設計復合材料包容環的纖維鋪層方向比例提供參考。

關鍵詞飛輪；轉速；復合材料；破損

中圖分類號THl21

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0028-01

利用高速旋轉的飛輪儲能是一種具有廣泛應用前景的新型儲能技術，在需要高能傳輸和單位質量高能儲備的情況下，飛輪儲能裝置比電化學電池更先進。目前飛輪儲能技術已經得到了世界各國的高度重視，并投入大量的人力和財力進行深度研究，尤其是美、英、德、日本等國家投入最大。近年來，儲能飛輪以其儲能、高功率、無污染、適用廣、無噪音、長壽命、維護簡單、可實現連續工作等特點。在電動汽車、航空航天及軍事領域展示了廣闊的前景。

飛輪儲能的提高以提高飛輪的轉動慣量來實現，但必須在材料不產生破壞和變形的前提下，來增加轉速和質量，從而達到提高轉動慣量的目的。轉速的增加使得飛輪的離心力變大，極易引起輪緣崩裂，不僅造成經濟損失，更重要的是會造成人員受傷。本文著重研究了復合材料儲能飛輪包容環，用于金屬材料飛輪轉子的加固，防止在轉速高到15000轉/分鐘出現破損或脫落造成不安全問題。復合材料具有重量輕、強度高、使用壽命長、安全性高等諸多優點，復合材料飛輪包容環采用了高強度纏繞技術，打破了以往轉速過高而引起的崩裂的約束。

1.飛輪結構形式描述

飛輪儲能器是將電能轉換成白轉動能或反向轉換的裝置，飛輪儲能器包括芯軸，飛輪和復合材料包容環，包容環主要作用是在金屬轉子破碎時起包容的作用。飛輪和復合材料包容環之間為過盈裝配。飛輪儲能器轉子結構示意圖如圖1所示。

2.飛輪包容環受力形式分析

當飛輪包容環以角速度ω旋轉時，它在離心慣性力作用下的應力狀態是一個廣義平面應力問題。由于飛輪幾何形狀是軸對稱的，而且它的受力狀態和邊界條件也是軸對稱的，這樣，飛輪的變形、應變、應力具有軸對稱性。通過理論推導，可以得到飛輪的應力分量表達式：

3.包容環的有限元建模

因為復合材料包容環為軸對稱結構，且受到的載荷為對稱載荷，所以只選取結構的1/8來建立有限元模型，如圖2所示。

采用的單元為六面體單元，為了更準確的得到分析結果，在其內外環處分別建立一層很薄的不影響結構剛度的面單元，賦予0度鋪層的屬性。有限元分析結果表明，包容環最大應力發生在內環處，體單元上的應力為平均應力，不能真實的反映最內層的應力狀態，而內環建立的面單元，與體單元變形協調，可以得到最內層的較真實的周向應力狀態。

但是面單元沒有徑向屬性，不能反映結構徑向的應變水平。實際中由于泊松比的作用，徑向應力對軸向的應變影響較大，而對周向應變影響可以忽略，所以面單元得到的周向應力是準確的，但是軸向應力和徑向應力只能通過體單元得到。經計算得到如下有限元結果，見圖3～圖5。其中徑向應力為129MPa，周向應力526MPa，軸向應力32.7MPa。

通過Tsai Wu準則來校核周向（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，滿足強度要求。

4.結論

1）通過分析可知，本文設計的復合材料儲能飛輪包容環，用于金屬材料飛輪轉子的加固，防止飛輪在高速轉動出現破損或脫落是可行的。

2）根據有限元計算結果，包容環的周向載荷最大，在復合材料包容環設計時要適當在周向方向增加0。纖維方向的比例。

3）高比強度比剛度的復合材料已經逐步應用到飛輪本體，提高飛輪的儲能能力，本文可以為復合材料飛輪本體的計算提供參考。