[發(fā)明專利]一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710195631.7
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107092726B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜露;吳承偉;馬建立
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，提供一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝置。沿轉(zhuǎn)子半徑方向布置控制點(diǎn)，利用樣條曲線擬合方法描述轉(zhuǎn)子的厚度分布，建立飛輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型，并采用有限元分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，對飛輪轉(zhuǎn)子的截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)提高飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本發(fā)明的效果和益處是，在滿足質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件下，通過設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子的厚度分布，有效地提高儲能密度；此外，在飛輪轉(zhuǎn)子的外層加固端板，有效降低高速旋轉(zhuǎn)下周圍流體所產(chǎn)生的阻力。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和裝置廣泛適用于各工程領(lǐng)域中的飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，涉及一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝置。

背景技術(shù)

儲能飛輪是一種新型的能量儲存與轉(zhuǎn)換裝置。在能源問題日益嚴(yán)峻的今天，由于儲能飛輪具有容量大、效率高、清潔無污染、壽命長以及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電力系統(tǒng)、核電等領(lǐng)域。

評價(jià)儲能飛輪性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)便是儲能密度，即單位質(zhì)量飛輪轉(zhuǎn)子所儲存的能量。提高飛輪的儲能密度不僅可以高效地利用材料，減少成本，還可以降低轉(zhuǎn)子的整體質(zhì)量，從而降低飛輪系統(tǒng)的自重，避免因系統(tǒng)過重導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載問題。

傳統(tǒng)的儲能飛輪轉(zhuǎn)子主要是由金屬材料的實(shí)心圓盤構(gòu)成，研究表明其儲能密度與工作轉(zhuǎn)速和圓盤截面形狀相關(guān)。增加工作轉(zhuǎn)速可以提高儲能密度，但是過高的工作轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)材料的破壞，選擇碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造儲能飛輪轉(zhuǎn)子，雖然能滿足轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，但是由于其復(fù)雜工藝以及高成本尚未被廣泛使用。采用等厚度的圓盤做飛輪轉(zhuǎn)子，其儲能密度與厚度值無關(guān)，不過可以通過增加轉(zhuǎn)子外半徑的尺寸來提高儲能密度，然而實(shí)際中的飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的尺寸要求，導(dǎo)致等厚度飛輪轉(zhuǎn)子的儲能密度較低。而如果采用非等厚度的圓盤做飛輪轉(zhuǎn)子，其儲能密度與厚度延徑向的變化即截面形狀有關(guān)，可以通過設(shè)計(jì)圓盤的截面形狀來提高飛輪的儲能密度。截面形狀設(shè)計(jì)難度大，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力和質(zhì)量的約束，因此，如何設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子的截面形狀，就變得極為關(guān)鍵，目前，缺少一種能夠安全高效的設(shè)計(jì)方法來解決這個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述問題，提供一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝置，采用結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，通過設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子的截面形狀，提高飛輪轉(zhuǎn)子的儲能密度，并設(shè)計(jì)一種具有高儲能密度的飛輪轉(zhuǎn)子裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟：

第一步，構(gòu)建飛輪幾何模型

高速旋轉(zhuǎn)的工作條件下，飛輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部會產(chǎn)生很大的離心力，而轉(zhuǎn)子自身重力相對于離心力所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力很小，因此可忽略不計(jì)，進(jìn)而飛輪轉(zhuǎn)子可簡化為二維軸對稱有限元模型。

利用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行前處理過程中的幾何建模。首先，沿飛輪轉(zhuǎn)子半徑方向均勻創(chuàng)建一系列控制點(diǎn)，利用這些控制點(diǎn)，通過ANSYS中的樣條曲線擬合方法創(chuàng)建一條曲線，描述飛輪轉(zhuǎn)子沿半徑方向的厚度分布，即輪廓幾何形狀，最后完成二維軸對稱的飛輪幾何模型的創(chuàng)建。

二維軸對稱飛輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化幾何模型中，每個(gè)控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)即高度h_i為設(shè)計(jì)參數(shù)；飛輪轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑r、外半徑R、主軸高度h₀由飛輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值得到。

第二步，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ANSYS Parametric Design Language)建立飛輪轉(zhuǎn)子的參數(shù)化有限元模型。

2.1)根據(jù)第一步得到的飛輪幾何模型，設(shè)置飛輪轉(zhuǎn)子的材料屬性以及選擇單元類型；由于飛輪為二維軸對稱模型，選擇單元類型時(shí)采用高精度的二維8節(jié)點(diǎn)單元PLANE82，并設(shè)置單元屬性為軸對稱。