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电动汽车用复合材料飞轮转子的结构与材料优化
| 论文题名： | 电动汽车用复合材料飞轮转子的结构与材料优化 |
| 关键词： | 飞轮;转子;储能;复合材料;有限元;弹塑性 |
| 摘要： | 飞轮电池作为一种性能优良的新型储能电池,具有绿色环保、轻质高效、使用寿命长等优点,可用于电动汽车、航空航天以及电力调峰等领域,是一种前景广泛的储能装置.因此,飞轮转子的研制与开发,也受到了广泛关注.为了获得较高的储能密度,飞轮转子通常由高强度碳纤维复合材料及轻质合金制造.目前飞轮转子最高转速达到20万转每分,储能密度也达到134 Wh/kg,其理论储能密度甚至高达306 Wh/kg.目前国内外研制开发的复合材料飞轮转子,主要问题在于,理论研究的缺乏导致优化设计困难、材料成本过高,复合材料飞轮制造工艺较复杂,安全可靠性较难保证等.该文提出的飞轮转子模型,铝合金轮毂重13.5kg,复合材料轮环重14.5kg,采用多环套装缠绕工艺,分为内外两层轮环,分别采用T300和M40J碳纤复合材料.然后,基于弹性力学、复合材料力学的基本理论,推导出了多环套装复合材料飞轮转子的基本解析解答.并据此编制了计算及优化程序,对不同材料不同厚度情况下的飞轮轮环进行了比较分析.经过理论推导及程序优化比较,发现,影响飞轮转子极限转速和储能量的主要控制因素,恰好是其复合材料轮环较为薄弱的横向拉伸强度,因此单纯地通过采用高纵向拉伸强度的高强碳纤材料来制造飞轮转子,并不能得到期望的高转速和储能密度.而采用多环套装缠绕技术制造的多层飞轮轮环,在利用温差过盈装配方法给复合材料轮环施加预压应力后,能够有效避免飞轮转子的复合材料轮环部分因较低的纤维横向抗拉强度而破坏失效,从而大幅度提高飞轮转子的极限转速和储能密度.最后,利用弹塑性理论,对飞轮转子的金属轮毂进行弹塑性设计与分析.利用有限元软件,对高转速下弹塑性工作状态下的整个飞轮转子系统,进行了数值计算及仿真模拟.经过弹塑性理论设计的飞轮转子,极限转速42038rpm,储能总量达到了3.6KWh,储能密度为129Wh/kg,比弹性设计提高49％. |
| 作者： | 孟志华 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 王继辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2004 |
| 正文语种： | 中文 |
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