大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0609

储能科学与技术 ›› 2023, Vol. 12 ›› Issue (3): 669-675.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0609

大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析

王泽峥¹(), 曲文浩², 王亚军², 秦润², 柳亦兵¹()

^1.华北电力大学先进飞轮储能技术研究中心，北京 102206
^2.深能南京能源控股有限公司，江苏南京 210000

收稿日期:2022-10-20 修回日期:2022-10-26 出版日期:2023-03-05 发布日期:2023-04-14
通讯作者: 柳亦兵 E-mail:wangzezheng1998@163.com;lyb@ncepu.edu.cn
作者简介:王泽峥（1998—），男，硕士研究生，研究方向为复合材料飞轮转子强度，E-mail：wangzezheng1998@163.com；

Simulation and stress analysis of large capacity composite flywheel rotor

Zezheng WANG¹(), Wenhao QU², Yajun WANG², Run QIN², Yibing LIU¹()

^1.Advanced Flywheel Energy Storage Technology Research Center, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
^2.Shenzhen Energy Nanjing Holding Co. , Ltd, Nanjing 210000, Jiangsu, China

Received:2022-10-20 Revised:2022-10-26 Online:2023-03-05 Published:2023-04-14
Contact: Yibing LIU E-mail:wangzezheng1998@163.com;lyb@ncepu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

大容量功率型飞轮储能系统是电力系统优质调频资源，采用高强度、低密度的复合材料制造飞轮转子是提升飞轮储能量的主要方法。本工作以大尺寸的复合材料飞轮转子为对象，在弹性理论基础上，推导出各向异性材料转子轮缘在高速旋转下的应力分布公式，并基于应力叠加原理得到了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合下的应力分析公式，给出了解析解；然后建立了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合的有限元分析模型，对转子应力分布进行仿真分析，仿真结果与解析结果基本一致，验证了模型的合理性。最后针对过盈量对复合材料转子轮缘与金属轮毂接触面应力的影响，以及飞轮转子在给定转速下的变形对过盈量及接触面应力的影响进行了分析。

关键词: 复合材料, 飞轮转子, 解析模型, 有限元分析, 应力分布

Abstract:

Large capacity power flywheel energy storage system is the high-quality frequency modulation resource of the power system. The primary technique for enhancing flywheel energy storage is the use of high-strength and low-density composite material to create flywheel rotors. In this study, the large-size composite flywheel rotor is taken as the object. Based on the elastic theory, the stress distribution formula of the anisotropic material rotor rim under high-speed rotation is obtained. The interference fit between the composite rim and the metal hub's stress analysis formula is obtained based on the principle of stress superposition, and an analytical solution is provided. Then the finite element analysis model of interference fit between the composite rim and metal hub is established, and the stress distribution of the rotor is simulated and analyzed. The simulation results are consistent with the analytical results, which confirm the rationality of the model. Finally, the impact of interference on the stress of the contact surface between the metal hub and the composite rotor rim as well as the impact of the flywheel rotor's deformation at a specific speed are investigated.

Key words: composite materials, flywheel rotor, analytical model, finite element analysis, stress distribution

中图分类号:

TK 02

王泽峥, 曲文浩, 王亚军, 秦润, 柳亦兵. 大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(3): 669-675.

Zezheng WANG, Wenhao QU, Yajun WANG, Run QIN, Yibing LIU. Simulation and stress analysis of large capacity composite flywheel rotor[J]. Energy Storage Science and Technology, 2023, 12(3): 669-675.

图/表 9

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表1

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参考文献 15

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性能参数	型号及数值
复合材料型号	CF-T700
基体	环氧树脂
环向弹性模量E_θ/GPa	150.7
径向弹性模量E_r/GPa	7
环向泊松比ν_θr	0.3
径向泊松比ν_rθ	0.36
环向剪切模量/GPa	5.5
径向剪切模量/GPa	4.9
密度ρ/(kg/m³)	1590
环向拉伸强度/MPa	3200
径向拉伸强度/MPa	80

性能参数	型号及数值
材料型号	铝合金7075
拉伸强度/MPa	524
弹性模量/GPa	71
密度/(kg/m³)	2810
比强度/(×10⁶ m²/s²)	0.213

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大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析

Simulation and stress analysis of large capacity composite flywheel rotor

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