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高速旋转的飞轮在给定外径和质量的情况下,轮缘采用先进的碳纤维缠绕,提高飞轮的转速,从而增大飞轮的储能密度,解决了飞轮轮缘因高速旋转而断裂破坏的问题.本文采用三维实体元分析计算复合材料飞轮工作时的应力分布,为安全合理设计复合材料飞轮提供依据.

关键词: 复合材料飞轮 , 储能密度 , 应力分析 , 有限元

复合材料空心飞轮多环套装整体变形及应力简化精细分析

秦勇 , 夏源明 , 毛天祥

复合材料学报 doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2003.05.018

采用多环过盈装配是解决复合材料飞轮径向强度过低的有效途径之一.本文作者采用平面应力简化模型,提出了计及过盈配合后变形导致实际过盈量增大计算飞轮套装后的初终应力分布的方法;提出了基于叠加原理计算多环过盈装配旋转飞轮应力的方法;提出了保证飞轮旋转时配合界面不脱离的相关临界转速的概念和计算方法.算例分析表明:过盈配合后的变形对初终应力的影响不能忽略;过盈量和套装环数与飞轮的初终应力和相关临界转速有密切的关系.

关键词: 复合材料飞轮 , 过盈量 , 径向强度 , 相关临界转速

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析

秦勇 , 夏源明 , 毛天祥

复合材料学报 doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2003.06.017

在纤维束缠绕时施加张紧力,使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加径向压应力,这是提高飞轮径向强度的有效方法之一.基于过盈配合的思想建立了计算张紧力缠绕导致的复合材料飞轮内部预应力和变形的简化模型和方法.通过算例分析发现:等张力缠绕产生的环向应力在半径方向上先减小后增大,径向压应力不断变小;变张力缠绕过程中,张紧力由小逐渐变大时,飞轮的径向压应力增大,径向强度提高;飞轮设计中仅仅依靠张紧力缠绕是不够的,还必须和固化成型后的厚壁筒之间的过盈套装一起来设计合理的径向预加压应力.

关键词: 复合材料飞轮 , 张紧力 , 缠绕 , 过盈配合 , 径向强度

多环环间混杂复合材料飞轮离心应力分析

秦勇 , 夏源明 , 毛天祥

复合材料学报 doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2004.04.031

采用平面应力假设,给出了计算多环环间混杂复合材料飞轮的离心应力和初始极限转速的方法,并采用二维轴对称的有限元分析验证了计算方法的合理性,可作为初步设计多环环间混杂复合材料飞轮的依据.本文的算例分析还表明,无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮,空心结构的初始极限转速和储能密度均高于相应的实心结构的结果;且对于空心结构,有利于通过选择合适的混杂方案,实现一定意义上的"等强度"设计.

关键词: 复合材料飞轮 , 环间混杂 , 离心应力 , 有限元

复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验

秦勇 , 王硕桂 , 夏源明 , 毛天祥

复合材料学报 doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2005.04.020

分别基于平面应力型全弹性模型和三维数值模型建立了计算复合材料飞轮破坏转速的二维和三维算法.这两个算法均采用了正交各向异性材料的最大拉应力(材料主方向)准则,其中三维算法还采用了两种强度判据,即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和轴向边界区域每层应力的最大值判据.对张紧力缠绕的3个实验复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏实验,破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处.实验结果表明,飞轮的实际破坏转速与理论破坏转速十分接近,证实本文中建立的二维和三维算法是可靠的;二维算法得到的理论破坏转速偏高,而飞轮的实际破坏转速落在三维算法分别按最大值判据和平均值判据得到的两个理论破坏转速之间,说明三维算法的精度更高.

关键词: 复合材料飞轮 , 全弹性模型 , 三维数值模型 , 破坏实验

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值分析

秦勇 , 夏源明 , 毛天祥

复合材料学报 doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2005.04.026

利用平面应力型全弹性模型的思想(即将纤维束张紧力缠绕看成多层复合材料薄环连续过盈装配的过程),建立了三维纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力分析模型,并给出了基于面-面接触算法求解张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值方法.算例分析表明,三维数值分析得到的飞轮的环向初应力及径向初始压应力(数值)均略低于平面应力模型的结果,且这种差距随着飞轮轴向长度的增加而缓慢增大;三维分析证实了平面应力模型关于张紧力缠绕复合材料飞轮的初应力分析有足够的精度.最后给出了三维模型轴向效应的表征方法.

关键词: 复合材料飞轮 , 张紧力缠绕 , 初应力 , 三维分析