复合材料储能飞轮包容环的结构设计摘要：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THl21文献标识码A2095-6363（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。由于飞轮几何形状是轴对称的，而且它的受力状态和边界条件也是轴对称的，这样，飞轮的变形、应变、应力具有轴对称性。通过理论推导，可以得到飞轮的应力分量表达式：3.包容环的有限元建模因为复合材料包容环为轴对称结构，且受到的载荷为对称载荷，所以只选取结构的1/8来建立有限元模型，如图2所示。采用的单元为六面体单元，为了更准确的得到分析结果，在其内外环处分别建立一层很薄的不影响结构刚度的面单元，赋予0度铺层的属性。有限元分析结果表明，包容环最大应力发生在内环处，体单元上的应力为平均应力，不能真实的反映最内层的应力状态，而内环建立的面单元，与体单元变形协调，可以得到最内层的较真实的周向应力状态。但是面单元没有径向属性，不能反映结构径向的应变水平。实际中由于泊松比的作用，径向应力对轴向的应变影响较大，而对周向应变影响可以忽略，所以面单元得到的周向应力是准确的，但是轴向应力和径向应力只能通过体单元得到。经计算得到如下有限元结果，见图3～图5。其中径向应力为129MPa，周向应力526MPa，轴向应力32.7MPa。通过TsaiWu准则来校核周向（0度方向）和轴向（90度方向）的材料是否失效，径向（厚度方向）直接与材料厚度方向的许用值比较。得到Ms为0.08，满足强度要求。4.结论1）通过分析可知，本文设计的复合材料储能飞轮包容环，用于金属材料飞轮转子的加固，防止飞轮在高速转动出现破损或脱落是可行的。2）根据有限元计算结果，包容环的周向载荷最大，在复合材料包容环设计时要适当在周向方向增加0。纤维方向的比例。3）高比强度比刚度的复合材料已经逐步应用到飞轮本体，提高飞轮的储能能力，本文可以为复合材料飞轮本体的计算提供参考。