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第卷第期机械工程学报. .
年月.
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两层预应力转子结构复合材料储能
飞轮的应力及位移计算木
李成铁瑛郑艳萍
郑州大学机械工程学院郑州
摘要:采用预应力结构可使复合材料飞轮的应力、位移分布得到一定改善,从而提高飞轮储能密度。考虑复合材料和预应力
结构的特点,建立基于各向异性对称结构理论的计算模型,得到两层预应力转子结构复合材料储能飞轮在工作转速情况下应
力和位移的解析公式,对内、外两层飞轮任一点的径向、环向应力及径向位移进行较为全面的仿真分析,并利用所建立的计
算模型对飞轮在某一转速时不同的位置对径向应力、环向应力和径向位移的影响进行探讨。结果表明,内层转子径向应力在
外侧最大,环向应力在内侧最大;外层转子径向应力和环向应力均在内侧最大。当角速度从增加到·时,内、
外转子的径向应力、环向应力和径向位移都随之增大。当·~,整个飞轮径向应力、环向应力和位移的最大值出
现在两层转子的接触面. 处。该分析结果可为飞轮的设计制造提供重要的参考。
关键词:复合材料储能飞轮预应力转予结构仿真计算解析法应力及位移分布
中图分类号:.



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的领域。由于飞轮储能能量输入、输出快捷,放置
前言方便,装置占用空问小,不污染、不损坏环境等特
点,在电力调峰、混合动力汽车等方面得到了较多
复合材料由于其优越的性能被广泛应用于众多的应用。为增加储能密度,飞轮的旋转速度非常高,
而减轻飞轮的自重是提高转速的一种有效途径。目
国家自然科学基金和河南省重点科技攻关前被广泛应用的储能飞轮大多是由复合材料制造
资助项目。收到初稿,收到修改稿
机械工程学报第卷第期
的。复合材料有许多非常明显的优势,例如密度小、
比模量大等,因此它非常适用于像储能飞轮这样的
结构¨,在减轻质量的同时又能提高结构的强度,
这是复合材料很重要的一个特性【。储能飞轮在工
作状态中通常受不同因素的影响,例如惯性荷载、
温差荷载等。相比较而言,惯性荷载是主要荷载,
这也是本文研究的重点,即全面分析飞轮在高速旋
转时所产生的惯性力对结构的破坏。这将对提高
飞轮的转速、增大飞轮的储能密度以及解决飞轮转
子因高速旋转而发生材料断裂破坏的问题提供理论
依据钔。图正交各向异性飞轮
目前对于飞轮应力场和位移场的分析、研究, 图中, 为角速度,是转动轴, 、分别
主要方法有解析方法、数值方法以及试验方法。为内层转子的内径和外径, 、分别为外层转子
解析法主要用于对均质材料飞轮以及对某些边界条的内径和外径。对于如图所示的结构,可以用平
件简单的单层复合材料飞轮进行相应计算、分析, 面问题来处理。如果体力是有势力,其径向分量
但关于考虑预应力的多层转子结构复合材料飞轮的和环向分量乃为

解析分析研究工作较少。对于这个问题,主要是用
有限元法进行求解⋯,这主要是由于复合材料本廿
式中,和分别为形变势能、极坐标半径和极
身所具有的各向异性性质,用解析方法求解时运算
角,则极坐标情况下的平衡方程是
十分冗长。有限元法虽然适用于复杂的结构、外部
环境以及不同的边界条件,但是在设计过程中,材二十二:

料往往不能确定,要经过反复比较才能确定所要选, 、

一【二: 一
用的材料,这时有限元法就显得不够直观、简便。,
因此,建立一个有效针对复合材料飞轮的解析分析式中、和分别为径向应力、环向应力和切
方法就显得非常必要。应力。
预应力结构能够改善结构整体的应力及位移分轴对称问题的几何方程为
布,因此在实际工程中被广泛采用。为了对预应力
一
复合材料飞轮进行准确地分析,本文以各向异性弹
性理论为基础,采用应力函数对整个飞轮结构进行
:
较为全面地研究,得到了精确边界条件下的应力、
位移解析解。并对两层预应力复合材料飞轮结构的一等
内、外层飞轮分别进行全面仿真研究。得到工作转
速下,整个飞轮不同位置的径向、环向应力以及径式中、和分别为径向应变、环向应变和切
向位移,为解决飞轮转子因高速旋转而发生材料断
裂破坏的问题提供了理论依据。
正交各向异性飞轮的基本方程妻差妻囊
由于飞轮的几何与物理性质以及所受的外力
都是轴对称的,因此应力场和位移场也必然是轴对
称的,即所有变量都只是极坐标,的函数。下面来【著一叫,.,.一一。
看一个等厚度的两层转子结构复合