多层混杂复合材料飞轮力学设计与旋转试验
复合材料飞轮转子设计
复 合材 料 飞 轮 转 子 设计
白 越 ， 黎海文 ， 吴一辉 ， 明 宣
（． １ 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 吉林 长春 １０ ３ ； ３０ ３ ２ 中国科学院 长春光学精密机械 与物理研究所 ， ． 吉林 长春，３０ ３ １０ ３ ）
结 果取 得 了 较好 的一 致 性 ， 明 了本 文设 计 方 法 的正 确 性 。 证 关 键 词 ： 合 材料 ； 复 飞轮 转 子 ； 能 密度 ； 真 分析 储 仿
文 献标 识 码 ： Ａ
中 图分 类号 ： Ｈ１ ３ ７ Ｔ ３ ．
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｏ ｐ ｓ ｔ ｌ ｗｈｅ ｌｒ ｔ ｒ ｓ ｇ ｆｃ ｍ ｏ ｉｅ ｆｙ ｅ ｏ ｏ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａ ｅ ｉ ｔ ｄ ｏ ｌ ｗｈｅ ｌｒ ｏｒｃ ｎｓｓ ｉ ｆｃ ｄ ｓｇｎ ｍｅ ｈｏ ｆｆｙ ｅ ｏｔ ｏ ｉｔｎｇ ｏ ｏｍｐｏ ｉｅ ｒｍ ｎｄ ｍｅ ａ ｓｔ ｉ ａ ｔ ｌｈｕｂ ｉ ｉ ｅ ｏｎ ｓｇｖ ｎ ｃ — ｓｄｅ ｉ ｏ ｉ ｒｎｇ ｃ ｎｎｅ ｔｏ ｅ ｗｅ ｎ ｒ ｏｒａ ｄ ｄ ｉ ｉ ｃ ｎｅ ｃｉ ｎ ｂ ｔ ｅ ｏｔ ｎ ｒｖ ｎｇ ｍａ ｈｉ ．Ｔｈ ｎｆｕｅ ｅｏｆｔ ａ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｈｅ ｍａ ｅ ｅ ｉ ｌ ｎｃ ｈｅ ｆ ｃ ｏ ｓ ｓ ｃ ｓ ｔ ｔ — ｒａ ，ｃ ｎｆｇ ａ ｉ ｉ ｌ ｏ ｉ ｕｒ ｔｏｎ，ｃ ｎｅ ｔｏ ｎｄ ｆ ｃ ｕｒ ｅ ｈｎ ｃ ｏ ｏ ｎ ｔ ｎ ｒ ｙ ｄｅ ｉｙ ｉ ｎａ ｙ ｅ ｏｎ ｃ ｉ ｎ ａ ａ ｔ ｅ ｔ ｃ ｉ ｓｏｆｒ ｔ ｒ ｏ ｈｅ ｅ ｅ ｇ ｎｓｔ ｓ ａ ｌ ｚ ｄ．Ｉ ｈｅ ｎｔ ｒ ｓ ｔ ｈｅ ｒ ｔｏ ｏ ｎ ｒｒ ｄ ｕｓ ｔ ｕｔ ｒ ｒ ｄ ｕ ｉ ｉ ｙ ｆ ｃ ｏ ｏｒｅ ｒ ｅ ｓｔ ｅ ｕｌ ，ｔ ａ ｉ ｆｉ ｎｅ ａ ｉ ｏ ｏ ｅ ａ ｉ ｓ ｏｆｒｍ ｓ ａ ｋｅ ａ ｔ ｒ ｆ ｎｅ ｇｙ ｄ ｎ ｉｙ，ｗｈｉｈ ｉ — ｃ ｓｄｅ ｔ ｒ ｎｅ ｉ ｍａ ｅ ｉ １ Ｏｐ ｉ ｚｎ ｂ ｃ ｎ ａ ｓ ｕｒ ｈｅ ｍｐｒ ｖ ｈｅｅ ｅ ｇ ｅ ｓ ｔ ｅ ｍｉ ｄ ｂｙ ｒｍ ｔ ｒａ ． ｔｍｉｉ ｇ ｈｕ ａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｒｉ ｏ ｅ ｔ ｎ ｒ ｙ ｄ ｎ ｉｙ．Ｄｕｅｔ ｈｅｔ — ｏ ｔ ｈｅ ｏｒ ｌ ｅ ｏ ｏ ｙ ｖａ ｕ ｆ ｃ ｍｐｏ ｉｅ ａ ｄ ｔ ｃ ｎｉ ｏ ｔ ｎ ｆｇｌ ｅ ｉ ｔ ｅ ｃ ，ｉ ｈ ｓ ｂ ｅ ｅ ｓ ｄ ｖｉ ｈ ｘ ｓｔ ｎ ｈｅ ｍｅ ｈａ ｃ ｃ ｎｓ ａ ｔ ｏ ｕ Ｓ ｎｏ ｘａ ｔ ｔ ａ ｅ ｎ ｒ ｖｉｅ ａ ｔ ｅ ｅ — ｐ ｒｍｅ ｏ ｍ ｐ ｏ ｎ ｈｅ ｖｅ ａ ｉｙ ｏ ｍｕｌ￣ｏ ｌｒ ｓ ｔ ． Ａ ｏ ｅ ｉ ｎｔｆ ｒ ｉ ｒ ｖｉ ｇ ｔ ｒ ｃｔ ｆ ｅ ａ ｉ ｎａ ｅ ｕｌｓ ｃ ｍｐｏ ｉｅ ｆｙｗｈ ｅ ｏ ｏ ｓ ｐ ｏ ｃ ｄ， ｓｔ ｌ ｅ ｌ ｒ ｔ ｒ ｉ ｒ ｄｕ ｅ
飞轮电池转子设计研究现状及应用展望
飞轮电池转子设计研究现状及应用展望杨万利;张维超【摘要】作为国际能源界研究的热点之一，飞轮电池具有效率高、储能大、无污染、寿命长，维护简单、可持续工作等特点。
本文介绍了飞轮电池的储能原理，阐述了当前基于不同材料飞轮转子设计研究现状，对飞轮电池与其他储能方式优缺点进行了比较并且给出了飞轮电池三个典型应用方面，指出飞轮电池有着广泛的应用前景。
%As one of the research focus in the international energy sector, the flywheel energy storage battery has the advantages of high efficiency, high energy storage, pollution-well, long service life, easy maintenance, sustainable work and so on. This paper introduces the operation principle of flywheel battery, describes the current development status of the flywheel rotor design based on different materials in detail, then the flywheel battery and other energy storage are compared to point out the flywheel battery's advantages. At last three typical applications of the flywheel battery are given and noted that the flywheel battery has vast potential for future application.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】4页(P57-60)【关键词】飞轮电池;转子;设计;电力调峰【作者】杨万利;张维超【作者单位】装甲兵工程学院非线性研究所，北京100072;装甲兵工程学院非线性研究所，北京100072【正文语种】中文【中图分类】U463.630 引言飞轮电池是一种利用机械能进行能量储存的新型储能方式，与传统化学电池相比，飞轮电池具有使用寿命长、无污染的特点，与在电力调峰中广泛应用的抽水储能相比，飞轮电池则具有储能高、功率大、不受地理条件限制、对环境无影响等优点。
旋转复合材料板的动力学性能研究
的半径为 ｒ板的长 、 、 ， 宽 高分别为 ６ ｂｈ 假设板 的厚度 ｔ 、， 、 均匀且远长 、 宽即满足柯西霍夫假设 ， 由 Ⅳ层正交各 板
系， 其位置如图 １ 左上角所示 ， 位于板的最左端 ， 与中 心刚体相切， 坐标面 Ｄｅ ｅ 与未变形前板的中面重合。 设 层合 板 板 中 面上 任 一 点 ｋ 相 对 于 连 体 坐 标 系 。 的变形 为 ｌ＝［ 。 “ “ ］’ｋ 点 的变形 “ 、 ２ 以 ｆ “ ２ ３ ， ０ ｌ“ 可
ｌ ２“ 及 Ｗ 、 ２ 图 ３所 示 ， ｌ Ｗ 为 面 内伸长变 、 、３ ｌＷ 如 Ｗ、 ２ 量。
第一作者 吴根勇 男 ， 士生 ，９ ２ 博 １ ８ 年生
维普资讯
振 动 与 冲 击
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２０ ０ ８年第 ２ ７卷
十
２
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Hale Waihona Puke Ｗ ，＝ ［ ， ｑ， ＝ ［ ］ “ Ｗ ］ Ⅳ ｑ ，３＝ ［ ］ （ ） Ⅳ 口 ６ ［ ］ ｉ ， ， ） 单 元 ｅ的 形 函 数 ， 定 义 见 文 献 Ⅳ （ ＝１ ２ ３ 为 其
以及可设计性 等优点 ， 特别 是其 中的层合板结构在诸 如航 空 、 天结 构等 工程 实 际 中得 到 了广泛 的应 用 ｊ 航 。 工程实际中很多细长结构一般简化为梁结构 ， 计算时 可 以得到 满意 的结果 。 但是 还 有 其 他 的结 构 如 太 阳能 帆板 、 纵横 比较 小 的 飞行 器 螺 旋 桨 、 轮 机 叶 片 等 ， 涡 为 得 到更 加精 确合 理 的结果 可 以简化 为 板 结 果来 进 行 仿 真 。 自从 Ｋ ｎ 、 ａ ｅ ｅ ａ ｅ Ｂ ｎ ｒ ｅ揭 示 了 “ 力 刚 化 ” 象 以 ｊ 动 现 来 Ｊ国内外很 多 学者 研 究 了板 的 “ 力 刚化 ” ， 动 问题 。 蒋丽忠 、 洪嘉振等从基于连续介质力学原理出发 ， 建立 了一次近似的数学模 型Ⅲ 。Ｙ ｏ ６ ｏ 采用几何约束法对动 Ｊ 力 作大 范 围运 动 薄板 的 动 力 刚 度项 进行 修 正 ｊ采 用 ， 假设 模态 法进 行离 散 。本 文将 这 一 研究 扩 展 到 各 向异 性材 料板 ， 究 中心 刚体 半 径 、 的铺 层 包 括 铺 层 数 、 研 板
复合材料高速储能飞轮的设计与仿真
! 收稿日万期方：3数##"据2#0204；修订日期：3##"20#20#
作者简介：廖芳（0C$52），女，湖北黄石人，硕士研究生，主要从事 D&F／D&A方面的研究工作。
,--(年)月
廖芳，等：复合材料高速储能飞轮的设计与仿真
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飞轮轴和 铝合金!1:DE2#1$&@2 3 飞轮盘 #1"4%92#1"4%@2#134’8
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0 复合材料飞轮的设计
根据混合动力汽车飞轮电池设计要求，在原有飞轮控制尺 寸不变前提下，新设计飞轮的储能密度应有大幅提高，而且结 构更加简单，工艺要求较低。根据对多种材料组合的反复计算 分析，最后采用铝合金制作飞轮轴和飞轮盘，采用碳纤维复合 材料制作飞轮环。典型的转子类型主要有多层空心圆柱体、环 型、实心圆盘、边缘型、边缘加强型、等应力圆盘、近似等应力圆 盘、带式变惯量飞轮等［"］，采用如图0所示的结构形式。飞轮形 状最好达到等强度设计［!］，设计的飞轮形状由两条样条曲线控 制，如 图 3 所 示。飞 轮 轴 的 直 径 为 "4 77，飞 轮 环 直 径 为 !:# 77。各部分的材料类型及性能见表0。
图" 飞轮旋转截面
由于复合材料结构本身的特性，在单元的离散方法和工程
弹性常数的处理上与金属结构有着显著区别，在采用正交各向
异性复合材料单元进行有限元分析计算时，必须保证划分单元
的局部坐标和各层材料的主方向相对应。同时，在处理工程弹
性常数时考虑复合材料的混合效应和协同效应［4］。
复合材料加工中的流变学模型建立与验证
复合材料加工中的流变学模型建立与验证一、引言复合材料是由两种或者更多种材料在宏观尺度上混合而成的新材料，其常用的基体材料主要包括树脂、金属、陶瓷、塑料、橡胶等。
与单一材料相比，复合材料具有良好的物理和化学性能，广泛用于各种领域的制造过程中。
在复合材料加工过程中，流变学模型是一种有效的工具，在设计和优化加工过程中发挥着重要的作用。
二、复合材料流变学模型流变学是研究物质在变形流动状态下的力学性质和变形规律的一门学科。
在复合材料加工中，由于材料的性质复杂多变，因此需要建立相应的流变学模型。
常见的流变学模型包括牛顿流体模型、卡西格雷模型、韦伯模型、卡尔曼模型、斯拉格模型等。
其中，牛顿流体模型是最为简单的一种模型，它假定物质的剪切应力与剪切速率成正比。
卡西格雷模型是一种二元模型，可以用来描述复合材料中的固相和流体相之间的相互作用。
韦伯模型可以描述流体的非线性性质。
卡尔曼模型是对粘弹性液体的描述，它包括了黏性和弹性元素。
斯拉格模型是一种有效的统计型模型，可以描述复合材料中各种固体和流体组分之间的相互作用。
三、流变学模型的验证方法流变学模型的验证是指通过实验测定材料的流变学参数，然后将这些参数代入到流变学模型中，计算模型的输出值。
验证方法主要包括稳态参数法、瞬态变形法、失稳应变法和复合流变法等。
稳态参数法是指利用天平或者其他模型在材料受到外力作用下达到稳态时测量材料的流变参数。
瞬态变形法是指通过施加瞬态变形，例如快速剪切或者撞击，来测量材料的动态响应。
失稳应变法是指通过测量材料在固定应变速率下的失稳行为，来确定材料的流变特性。
复合流变法是基于常规流变法的一种变种，通过同时控制多个应力或者应变分量的变化，以确定复合材料中不同组分之间的相互作用。
四、结论在复合材料加工过程中，流变学模型的建立和验证非常重要，可以帮助工程师预测和优化复合材料的性质和加工过程。
然而，由于复合材料的复杂性质和多变性质，建立有效的流变学模型仍然是一个挑战，需要不断地结合实验和理论研究来加强研究。
双质量飞轮扭转减振器运动学仿真及力学分析
ｔ ｒ ｓｏ ａ ａ ｓ Ｆｌ ｗｈ ｅ ｔ ｉｆ ｒ ｎ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓ ｏ ｏ ｓｏ ａ ａ ｐ ｒ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｗｅ ｆｒ ｔｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｕ ｅ ｆ Ｄｕ ｌ Ｍ ｓ ｙ ｅ ｌ ｗｉｈ ｄ ｆ ｅ ｅ ｔｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｆｔ ｒ ｉ ｎ ｌｄ ｍ ｅ ，Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｉｓ ｉｃ ｓ ｅ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｆｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ＤＭ Ｆ，ａ ｄ ａ ａ ｙ ｅ ｈ ｍ ｐ ｃ ｓ ｏ ｌ ｋ ｎ ｓ ｏ ａ ａ ｅ ｅ ｓ ｈ ｈ ｏ ｙ ｏ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｎ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅ ｉ ａ ｔ ｆａ ｌ ｉ ｄ ｆｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ．
双 质 量 飞轮 （ ｕ ｌ ｓ ｌｗｈ ｅ ， 称 ＤＵＦ 是 ｄ ａ ｓｆ ｍａ ｙ ｅ Ｉ简 ）
作 中 ， 形 弹 簧 受 到滑 道 壁 的 约束 ， 它能 够 承 受 比 弧 使 螺 旋 弹 簧失 稳 时 的临 界 载荷 大 得 多 的 载荷 而 不 会 失
去 稳 定性 。二 是 采 用 ＡＤＡＭＳ ｔａ ｓ ｔ ｎ ｌ ｐ ｉｇ ｒｎ ｌ ｉ ａ ｓ ｒ — ａｏ ｎ
双质量飞轮扭转减振器运动学仿真及 力学分析
Ａｎａ ｙ ｅ ｆ Ｆｏ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉ ｌ ｚ ｄ ｏ ｒ ｅ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ Ａｎｄ Ｆａ ｉ ｕ ｏ ａ ａ ｓ ｔｇ ｅ ｆ ｒ Ｄｕ ｌＭ ｓ
基于ANSYS的复合材料飞轮系统模态分析
根 据 飞 轮 系统 的实 际 工作 状 态 ， 飞轮 转子 的两 端 均采 用径 向与轴 向磁 轴 承 ， 端 双 轴 承可 以轴 向 一
移动 ， 因此 在心 轴 上一 端 、 向施 加 约 束 ， ｚ向 Ｙ 在
不 施加 约束 ； 外一 端双 轴承 不可 以轴 向移 动 ， 此 另 在 心 轴一 端施 加 ３向全 约束 。
利 用高 速 旋转 的飞 轮进 行能 量存 储 是 目前 广泛
应用 的一种 绿 色 能 源 技 术 。近 年 来 ， 随着 高强 度 纤
泛 的研 究 口 ］ 。
飞轮 储 能系 统 向着 高速 化 、 大功 率 方 向发 展 ， 因
此其 运行 稳定 性 问题 变 得越 来越 突 出 ］ 目前 对 转 。
采取 自底 向上建 模方法 ， 立有 限元模 型 。结 构基 本 建 为旋转 体 ， 模 时 由关 键 点定 义 线 、 ， 后 旋 转 成 建 面 然
体 。同时 ， 考虑 配合 关 系都 是 过盈 配 合 ， 保证 精 度 在
的前提 下 ， 采用 了一体化建 模 的处理 方法 ＿ 。又考 虑 ８ ］ 飞轮 的形 状 以及 计算 精 度 的要 求 ， 限元 模 型 建 立 有 中 ， 轴 与 轮 毂 结 构 采 用 三 维 ８节 点 六 面 体 单 元 心 Ｓ Ｌ Ｄ ５划 分 网格 ， 元 的 每 个 节 点 有 ３个 自 由 Ｏ Ｉ４ 单 度ｌ ， ＿ 复合材料 层采用 Ｓ Ｌ Ｄ ６ 元划分 网格 ，Ｏ — ｇ ］ Ｏ Ｉ４ 单 ｓ Ｌ Ｉ４ Ｄ ６单元 是 Ｓ Ｉ ４ ＯＬＤ ５的一 种 叠层 形 式 ， 每个 节 点 也 有 ３ 自由度 ， 个 它可 以用来建 立叠层 壳体 或 实体 的有
复合材料飞轮多层过盈分析
关 键词 ： Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ； 过 盈 配合 ； 多层 转 子 ； 应力分析 ； 应 力梯 度
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ３ ． ７
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ２— ６ ８ ８ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １— ０ ０ ２ ４— ０ ４
Ｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｍ ｕｌ ｔ ｉ— — ｒ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌｙ ｆ ｗｈ ｅ ｅ ｌ Ｒｏ ｔ ｏ ｒ
ｍｕ ｌ ｔ ｉ —ｒ ｉ ｎｇ ｃ ｏｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌｙ ｆ ｗｈｅ ｅ ｌ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ；ｉ ｎ ｔ ｅ ｆ ｒ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｆ ｔ ｓ ；ｍｕ ｌ ｔ ｉ —ｒ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ；ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ；ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ
造 飞轮 材料 的 首选 。 由于 复 合 材 料 是 各 向异 性 材
到 内压 作 用 ， 产 生环 向拉应 力 ， 它 与 由工 作 内压
所 产 生 的环 向压 应 力 同 向 。这 样 ， 内壁 最 大 环 向
料， 其在 纤维方 向强 度很 高 ， 在 垂直 纤维方 向强度却 很低 ； 同时 ， 随着轮 缘 壁 厚 的增 加 ， 应 力 沿 厚 度方 向 的非均 匀分 布性 显著增 加 。为 了减 小 飞轮在 高速 旋 转 时产 生 的应力 ， 尤其 是径 向应力 ， 并且 改善 应力 沿
飞轮储能技术研究的发展现状
C 2 磁炮% 电化学炮/ 要求在几个毫秒时间产出 ! 以满足负载的需要1 3 3 ’ 英国纽卡斯尔大 4 R 的放电/ ) 3 2 1 8 2 学研制了混合汽车的飞轮电池1 美国 E / + F D G B技术公司开发的先进飞行器姿态控制系统等 ’
超导磁悬浮与永磁支承相混合 7 休斯顿大学采用这种 支承方 式已浮起 ) C 4 ?的 飞轮转 子 / 永磁轴承提供悬浮力 / 而超导轴承用于消除系统固有磁 S 磁不稳定相互影响 ’ 试验表明 / 在真
! 2 织带缠绕 1 ’
从飞轮形状看/ 有单层圆柱状% 多层圆柱状% 纺缍状% 伞状% 实心圆盘% 带式变惯量与轮幅状等’ 美国的马里兰大学已经研究成功储能 ! 飞轮材料为碳纤维 00 环氧 3 4 56多层圆柱飞轮 / 树 脂 复 合 材 料/ 具 体 参 数 为7 外径 3 内径 3 厚 3 重 ) 最大转速 # 8 9 : # ! 8 : # 8 8 < = ! # > / ;% ;% ;% 4 ?
汽车飞轮电池中高速得合材料飞轮的有限元分析
想， 但是 要 求 所 用 飞 轮 的工 作 转 速 高 （ 常 在 通
２ ） ｒｉ 上 ） 贮 能 密度 大 （ ．４ Ｍ ／ｇ左 ５（０ ｄ ｎ以 ｏ ａ ， ０ Ｉ Ｊｋ 右） 一因此 ， 针对 飞 轮的强 度 、 形 、 衡 、 劳等 变 平 疲
行分 析 ， 讨 了飞轮 高速 旋 转 中 的 强 度 问题 ， 探 为
飞 轮的研制 与开 发提供 了重要 的参 考依 据
１ 混合动 力汽车典型飞轮的结构 特点
飞轮 转 子 的 主 要 类 型 有 多 层 空 心 圆 柱 体
（ ｙｎ ｅ）环 形 （ ｉｇ 、 Ｃ ｌ ｄ， 、 ｉ Ｒｎ ） 实心 圆盘 （ ｉ ） 边缘 型 、 Ｄｓ 、 ｋ
定 ， 方 面通过试 验获得 ， 方 面可 以运 用材 料 一 另一 力学 的公式 进 行推 导 。在 文 献 ： ］ ５ 中论 述 了复合 材料工 程 常数 的混合律 ， 由此 可 以推出 ： 维纵 沿纤 向 Ｅ ＝ Ｅ ＋Ｅ ； ｆ ． 沿纤 维横 向 ｌＥ ／ ｉ ＝ 日
＋ Ｉ 密 度 Ｐ ＝ Ｐ Ｈ ＋ｐ Ｅ； ． 。 中 为体 积 式
２
轮 ２ ０ 断ｒ ７’
制作飞 轮 的材 料 一 般有 铝 合 金 、 质 钢 、 璃 纤 优 玻 维、 碳素纤 维 、 墨纤 维 等 。在 上面 的结 构 中 主 石 要应用 了高强 度钢 － 玻璃纤 维 复合材 料 和碳 素纤
边 缘加强 型（ ｉｇＲｍ）等应力 圆盘 、 Ｒｎ ｉ 、 近似 等应 力 圆盘 、 带式 变惯 陆飞轮 （ ＶＦ等 。笔 者 所分 析 的 Ｂ Ｉ） 飞轮旋转 截 面如图 Ｉ 示 ， 所 三维 ２０断 面 图如 图 ７。
汽车飞轮设计和工艺实现
车辆工程技术14车辆技术0 概述 飞轮是汽车发动机重要的动力传动装置，是个比较复杂的汽车零部件。
在汽车飞轮设计时需结合工艺实现的可制造性、可维修性分析进行同步设计，以便提升其产品和工艺设计水平。
1 汽车飞轮的功能汽车飞轮设计和工艺实现樊世玉（长城汽车股份有限公司技术中心,河北 保定 071000）摘 要：飞轮是汽车发动机的关键安全件，其功能是调节发动机曲轴转速变化，其稳定转速的作用。
本文主要从汽车飞轮的功能、设计、工艺实现等方面进行总结和阐述。
关键词：汽车；飞轮；设计；工艺图1 汽车飞轮是发动机曲轴后端的一个较大的盘状部件，具有较大的转动惯量，安装在离合器上，把发动机和汽车传动系连接起来，通过与起动机结合的齿圈起动发动机，可以将发动机做功行程的部分能量储存起来，以克服其它行程的阻力，使轴均匀旋转。
汽车飞轮与发动机曲轴相连接的示意图如图1所示。
2 汽车飞轮设计2.1 基本参数要求 （1）根据整车发动机对飞轮的基本要求，包括使用机型、飞轮因负荷变化而需稳定地转速的基本参数，如：质量、传动惯量、所需承受的最大转速，动力输出和离合器安装定位的要求，安装起动机和齿圈的要求等。
（2）飞轮是高速运转的运动件，其主要的离心应力作用于飞轮安装孔剖面，飞轮离合器销控剖面轮缘越短，螺栓孔剖面轮缘就越宽，离心力影响的危险剖面是螺栓孔泡面，其离心力可根据理论公式计算得出。
（3）最大全负荷转速。
飞轮所能承受的最大转速是由整车发动机配套使用而确定，飞轮极限的最大全负荷转速是根据轮缘处产生的最大拉伸热效应力、材料许用应力相关联，设计时需综合考量后再确定。
2.2 结构设计及优化 （1）根据使用要求确定飞轮轮缘尺寸、腹板及轮辐过度连接区结构、尺寸及厚度，轮毂连接定位结构及尺寸等。
（2）在汽车飞轮机构设计结构优化过程中，一般使用有限元结构分析。
参数化建模是使用重要几何参数快速结构和修改模型的造型方法，若几何模型中所有尺寸是参数化的就可以动态修改参数，随后动态得到有限元分析结果。
复合材料飞轮研究进展
为 了增加 飞 轮 转 子 的储 能 密度 ， 提高 飞 轮 转 子 的转速 ， 采用 高性 能 纤 维 复合 材 料 作 为 高 速 飞 轮转
子 材料便 成 为 了一 种发 展趋 势 。与金 属 飞轮转 子相
比， 复合 材 料 飞 轮 转 子 具 有 质 量 轻 、 能 量 存 储 密 度
Ｎｏ ． ２
２ ０ １ ４年 ６月
ＦＩ ＢＥＲ Ｃｏ Ｍ Ｐｏ Ｓ Ｉ ＴＥ Ｓ Ｊ ｕ ｎ． ， Fra bibliotek ０ １ ４
复 合材 料 飞轮 研 究进 展
张振 龙 ， 高 琳
（ 哈尔滨玻璃 钢研究 院 ， 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ３ ６ ）
摘
要
本文对 比了复合 材料飞轮转子与金属材料飞轮转 子 的性 能 ， 指 出复合 材料 比强度高 、 密 度小等特 点使其
复合材料飞轮转子的结构形式如图1所示图1复合材料飞轮转子结构形式在复合材料飞轮加工制作的过程中通过对纤维施加足够的张紧力多种尺寸结构设计和多层圆环过盈装配等预制压应力的工艺方法使得复合材料在径向方向上具有一定的初始应力来提高复合材料飞轮的径向强度从而提高飞轮的整体性能
第 ２期
５ ６
纤
维
复
合
材
料
ｔ ｅ ｒ ｉ ｌｓ ａ ．
ＫＥ ＹＷ Ｏ ＲＤＳ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌ ｆ ｗｈ ｙ ｅ ｅ ｌ ； ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ； ｌ ｆ ｗｈ ｙ ｅ ｅ ｌ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ； ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ － ｉ ｒ ｎ ｇ ｌ ｆ ｗｈ ｙ ｅ ｅ ｌ ； ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ． ｉ ｒ ｎ ｇ ｆ ｌ ｙ ｗ ｈ ｅ ｅ ｌ ； ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ
复合材料储能飞轮包容环的结构设计
复合材料储能飞轮包容环的结构设计作者：杨敏超来源：《科学家》2017年第04期摘要：储能要求的提高使得飞轮转速增加，可能造成飞轮的破损和脱落。
本文设计了一种复合材料包容环用于金属材料飞轮转子的加固，防止在转速高到15000转/分钟时出现破损或脱落造成不安全问题。
并通过有限元分析得到包容环的周向，轴向和径向应力，为设计复合材料包容环的纤维铺层方向比例提供参考。
关键词飞轮；转速；复合材料；破损中图分类号THl21文献标识码A文章编号2095-6363（2017）04-0028-01利用高速旋转的飞轮储能是一种具有广泛应用前景的新型储能技术，在需要高能传输和单位质量高能储备的情况下，飞轮储能装置比电化学电池更先进。
目前飞轮储能技术已经得到了世界各国的高度重视，并投入大量的人力和财力进行深度研究，尤其是美、英、德、日本等国家投入最大。
近年来，储能飞轮以其储能、高功率、无污染、适用广、无噪音、长寿命、维护简单、可实现连续工作等特点。
在电动汽车、航空航天及军事领域展示了广阔的前景。
飞轮储能的提高以提高飞轮的转动惯量来实现，但必须在材料不产生破坏和变形的前提下，来增加转速和质量，从而达到提高转动惯量的目的。
转速的增加使得飞轮的离心力变大，极易引起轮缘崩裂，不仅造成经济损失，更重要的是会造成人员受伤。
本文着重研究了复合材料储能飞轮包容环，用于金属材料飞轮转子的加固，防止在转速高到15000转/分钟出现破损或脱落造成不安全问题。
复合材料具有重量轻、强度高、使用寿命长、安全性高等诸多优点，复合材料飞轮包容环采用了高强度缠绕技术，打破了以往转速过高而引起的崩裂的约束。
1.飞轮结构形式描述飞轮储能器是将电能转换成白转动能或反向转换的装置，飞轮储能器包括芯轴，飞轮和复合材料包容环，包容环主要作用是在金属转子破碎时起包容的作用。
飞轮和复合材料包容环之间为过盈装配。
飞轮储能器转子结构示意图如图1所示。
2.飞轮包容环受力形式分析当飞轮包容环以角速度ω旋转时，它在离心惯性力作用下的应力状态是一个广义平面应力问题。
复合材料飞轮的设计分析
复合材料飞轮多层过盈分析
复合材料飞轮多层过盈分析复合材料飞轮是一种重要的机械部件，它的设计和制造直接关系到机械的性能和使用寿命。
其中，多层过盈分析是飞轮设计中的重要环节。
本文将从多层过盈的基本原理、分析方法和实例应用三个方面进行阐述。
一、多层过盈的基本原理过盈是指在加工过程中，为使零件之间的连接更加牢固和精确，在制造孔与轴时让孔的直径稍微小于轴的直径的一种工艺方法。
而在多层过盈中，通过使用多层套筒或者环形零件来实现过盈连接。
多层过盈在飞轮设计中广泛应用，因为它可以有效地提高两个零件的连接强度，防止零件之间的松动和相对旋转，并且可以提高机械系统的可靠性和寿命。
二、多层过盈分析的方法多层过盈分析的方法包括理论分析法和试验分析法。
其中，理论分析法又分为力学分析法和传热分析法。
力学分析法：该方法采用弹性力学理论分析过盈连接的接触应力和变形情况，并据此计算出连接的固有刚度和强度。
具体步骤包括：1. 确定过盈连接零件的几何尺寸和材料弹性模量、泊松比等力学特性参数。
2. 建立过盈连接的理论模型，根据模型的受力情况建立连接的刚度和应力方程。
3. 计算连接的最大应力和位移，检查是否符合设计要求。
4. 根据连接的刚度和受力情况计算出连接的自然频率，检查是否符合机械系统的振动要求。
传热分析法：该方法适用于高速、高温环境下的复合材料飞轮，其基本思路是根据热传导方程式分析过盈连接的热形变和应力损伤情况，以及对机械系统的影响。
具体步骤包括：1. 确定过盈连接零件的热物理参数，如热传导系数、比热、导热率等。
2. 建立过盈连接的热传导模型，根据模型的受热情况分析连接的热形变和应力损伤情况。
3. 根据连接的热形变和应力损伤情况，预测连接的寿命，并据此制定相应的维护方案。
试验分析法：该方法通过开展物理试验来获得连接件的刚度、应力、变形等基本参数，并据此优化设计方案，提高机械系统的性能稳定性。
常用的试验方法包括拉伸试验、扭曲试验、疲劳试验和环刚度试验等。
三、多层过盈分析的实例应用复合材料飞轮多层过盈分析是现代工程中的重要应用之一。
复合材料储能飞轮转子有限元分析
复合材料储能飞轮转子有限元分析
贾红雨;李成;杨洁;苏玉珍
【期刊名称】《玻璃钢/复合材料》
【年(卷),期】2009(000)004
【摘要】复合材料运用在飞轮体的制备上,极大地增强了储能飞轮的机械性能,并增加了单位质量中的动能储存效率.利用有限元分析理论结合各向异性弹性体基本理论建立复合材料储能飞轮力学模型,借助ANSYS有限元分析软件,对已知材料性能参数和转子主要形状尺寸的储能飞轮转子进行应力和位移分析,求出了在一定转速条件下转子的径向应力、环向应力和径向位移,对其分布规律进行探讨,为飞轮结构优化提供理论依据.
【总页数】5页(P35-38,99)
【作者】贾红雨;李成;杨洁;苏玉珍
【作者单位】郑州大学机械工程学院,郑州,450001;郑州大学机械工程学院,郑州,450001;郑州大学机械工程学院,郑州,450001;郑州大学机械工程学院,郑
州,450001
【正文语种】中文
【中图分类】TB121
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5.200kW/180MJ飞轮储能系统转子有限元分析与实验分析 [J], 金梅;颜廷鑫;张立国;李光军;王玮;王娜
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高速飞轮旋转的科学
高速飞轮旋转的科学
里卡多公司
【期刊名称】《汽车与配件》
【年(卷),期】2010(000)023
【摘要】@@ 在如今这个能源短缺的世界,设计出较低能耗的产品已经被摆上议事日程首要位置--不仅仅在汽车行业,在任何提供机械产品、为我们提供便利的所有行业都是如此.
【总页数】3页(P26-28)
【作者】里卡多公司
【作者单位】
【正文语种】中文
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基于三种不同轮毂材料的储能飞轮转子有限元分析_贾红雨
基于三种不同轮毂材料的储能飞轮转子有限元分析
1* 2 贾红雨 ，张璐璐 （ 1. 郑州轻工业学院，河南郑州 450002 ； 2. 中州大学，河南郑州 450044 ）
图 2 轮体两周期模型及网格划分 Two cycle model of flywheel body and mesh generation
Fig. 2
Fig. 6
图 6 轮毂径向应力云图 The distribution nephogram of hub’ s radial stress
Fig. 3
图 7 轮毂环向应力云图 Fig. 7 The distribution nephogram of hub’ s circumferential stress
图 6、 图 7 所示是在角速度为 9000r / min 时的径 向、 环向应力云图。 随着角速度由 1200r / min 增加 到 9000r / min， 径向应力最大值出现在辐条与内径结 合部位， 其值由 0. 615MPa 增加到 34. 47MPa， 并且此 处承受扭转力矩最大， 易发生破坏； 环向应力最大值 出 现 在 内 径 部 位，其 值 由 0. 8137MPa 增 大 到 45. 769MPa。
（ 13 ）
通过有限元力学模型的建立， 容易得出实体模 型在一定外载荷作用下弹性体单元节点的应力及位 移变化， 为有限元分析提供了理论基础。
3
有限元分析模型
轮毂使飞轮转子系统整体应力水平更加复杂，
} }
但却是连接轮缘传递扭矩的重要部件， 选用合适的 （ 4） （ 5）
材料属性 铝合金 钛合金
轮毂材料和正确的结构设计可明显提高飞轮的储能 密度。
高储能飞轮转子动态特性及应力分析_孔繁鑫
29
式中：εr 、εθ 、γrθ —径向应变、环向应变和切应变；
ur 、uθ —径向位移、环向位移。
应变、应变关系适用于极坐标下的广义胡克定律：
ε S S S δ 6 6 6
66 6
6 6
r
6 6
6 6
11
12
16
6 6
6 6
r
6 6
6 66
66 6
ε = S S S = δ 6 6 6
66 6
6 6
1 引言
飞轮储能具有高效率、无污染、适用范围广、无噪声、长寿 命、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点。转子是飞轮 储能系统中最关键的储能部件，它的性能直接决定了系统存储能 量的多少，为提高储能能力，需采用合适的材料与合理的转子结 构。复合材料有许多非常明显的优势，例如密度小、比模量大等， 应用于储能飞轮这样的结构，在减轻质量的同时还可提高结构的 强度。
4.1 应力分布
在 0r/min 时，仅考虑中间两层存在过盈关系，如图 2、图 3 所示。 从图 2、图 3 可以看出，径向应力从（-4.734~0.617）MPa，环向应力 （-20.865~39.8）MPa，在 16000r/min 时，径向应力从（0.53~8.4）MPa， 环向应力从（461.8~831.58）MPa。
3 多层飞轮转子边界条件的确定
以四层复合材料飞轮为研究对象，如图 1 所示。考虑一个四 层转子结构，中间两层为过盈配合，界面边界条件是各点径向应
给定材料参数，如表 2 所示。其中，转子结构预应力 Px= 3.37MPa；ε=2.223×10-4m。式中：X—横向抗拉强度；Y—径向抗拉 强度。
表 ２ 飞轮转子材料参数 Ｔａｂ．２ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｒｏｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
复合材料高速储能飞轮强度极限转速的确定
收稿日期：作者简介：杨橙（1977－），男，硕士研究生；武汉，武汉理工大学汽车工程学院（430070）复合材料高速储能飞轮强度极限转速的确定杨 橙 马 力 王仲范（武汉理工大学）摘 要：从复合材料的强度准则出发，提出了高速储能飞轮的强度条件，并结合有限元分析和优化设计思想，建立了基于强度的飞轮极限转速的数学模型，给出了相应的计算方法。
作为算例，运用该方法计算了混合动力汽车飞轮电池中典型复合材料飞轮的极限转速，得到了相应的应力分布，为飞轮的设计开发提供了有效的研究手段。
关键词：储能飞轮；复合材料；有限元分析；优化引言近年来飞轮储能技术得到了迅速发展，复合材料飞轮已应用于国防、交通、能源、通讯和宇航等各个领域[1～4]。
对于高速储能飞轮如何获得最大的储能能力并尽可能提高材料利用率是飞轮设计的重要目标之一，因此求得飞轮基于强度的极限转速非常必要。
以下讨论了复合材料的强度准则，在此基础上提出了高速复合材料储能飞轮的强度条件，并结合有限元分析方法和优化设计思想，建立了基于强度的飞轮极限转速的计算模型，提出了相应的计算方法。
据此，编写了相应程序，并对混合动力汽车中典型复合材料飞轮进行了计算分析，得出了相应结果，为飞轮设计与开发提供了有效的手段和有价值的参考。
1强度准则及飞轮的强度条件目前研制的高速储能飞轮大多选用多种材料，包括不同的纤维增强复合材料、金属材料、非金属材料等。
它们各自具有不同的力学和物理性质，应该基于不同的强度理论加以考虑。
复合材料的二次型失效准则通常，将纤维增强复合材料当作正交各向异性材料处理，如果材料主方向拉压强度相等，R ·Hill 认为其屈服准则方程为各应力分量的二次函数[5]：()()()1222222222=+++-+-+-xy zx yz y x x z z y N M L H G F τττσσσσσσ （1）式中，F 、G 、H 、L 、M 、N 为各向异性系数，σx 、σy 、σz 、τxy 、τyz 、τzx 是材料主方向上的应力分量。