遗传算法在碳纤维复合材料高速转子优化设计中的应用

对多层结构碳纤维复合材料转子进行了高转速下的静力学分析，建立了多层嵌套结构碳纤维复合材料转子的强度与转子的材料密度、转速、纤维铺设角、各层径向壁厚以及各层间过盈配合量间的数学关系式。应用遗传算法进行了转子结构的优化设计，解决了多层结构碳纤维复合材料高速转子设计中如何寻求转子最优外形和工艺参数的难题。通过对转子各层的纤维铺设角、各层径向壁厚以及各层间过盈配合量进行优化，获得了转子的最佳几何外形和工艺参数，使转子的储能密度较优化设计前提高了136％，最大限度地提高了转子的储能能力。此优化设计方法为多层嵌套结构碳纤维复合材料转子的储能密度优化设计提供了有效手段。     

遗传算法在碳纤维复合材料高速转子优化设计中的应用

对多层结构碳纤维复合材料转子进行了高转速下的静力学分析 ,建立了多层嵌套结构碳纤维复合材料转子的强度与转子的材料密度、转速、纤维铺设角、各层径向壁厚以及各层间过盈配合量间的数学关系式。应用遗传算法进行了转子结构的优化设计 ,解决了多层结构碳纤维复合材料高速转子设计中如何寻求转子最优外形和工艺参数的难题。通过对转子各层的纤维铺设角、各层径向壁厚以及各层间过盈配合量进行优化 ,获得了转子的最佳几何外形和工艺参数 ,使转子的储能密度较优化设计前提高了 1 36 % ,最大限度地提高了转子的储能能力。此优化设计方法为多层嵌套结构碳纤维复合材料转子的储能密度优化设计提供了有效手段     

高速复合材料飞轮的关键技术

飞轮作为机械能量储存的起源和应用较早，并在第一次工业革命期间获得了较大的发展，尤其在最近10年，飞轮技术的发展是突飞猛进，复合材料飞轮在许多方面有着广泛的应用，如飞轮储能系统中的飞轮转子，高速旋转机械中的转子等。主要结合飞轮储能系统中的应用，研究它在最大化储能前提下的材料，构造，制造方法，优化和安全等方面的问题。     

复合材料单层飞轮转子模态分析

临界转速是衡量转子构件设计水平的一个重要指标,与转子的固有频率有关,因此正确设计飞轮转子基于强度的极限转速,并使之与临界转速保持协调显得非常关键。需要在其静力分析的基础上通过有限元软件ANSYS对高速旋转的单层复合材料飞轮转子进行有预应力的模态分析,检验复合材料飞轮转子在工作过程中是否会引起共振.     

基于机械轴承飞轮储能系统损耗的构成分析

为研究飞轮储能系统(FESS)的性能,设计并制作了一套基于机械轴承的、采用无刷直流电机驱动的飞轮储能系统,对驱动电机及整套系统在转速小于10 000 r/min时的损耗分别进行了测量.分析了电损、风损和轴承损耗3种主要损耗,采用最小二乘法,对电损与转速的关系进行指数函数拟合,对风损、轴承损耗与转速的关系进行了多项式拟合,从而分离了3种损耗.对处于不同待机转速的飞轮储能系统的恒功率放电时间和经历了不同待机时间的能量利用系数进行了计算分析.结果表明:要提高FESS的效率必须采用磁悬浮轴承并将系统置于真空环境中;FESS恒功率放电时间与待机转速成1.8次方关系;待机转速和待机时间是能量利用系数的重要影响因素.研究结果为新能源发电系统对FESS的选择提供了理论依据.     

不同模量比对复合材料储能飞轮强度的影响

以材料的环向与径向模量比λ作为参量,利用ANSYS有限元分析软件,对给定尺寸不同材料的单层及双层异构复合材料飞轮转子进行强度计算,得出飞轮转子在高速旋转时的径向和环向应力分布规律。进而利用强度比方程求解各种结构的强度比,分析材料参数对飞轮转子强度的影响。     

储能飞轮轮毂的蠕变温度特性与蠕变影响

为提高储能飞轮可靠性,并延长寿命,研究了储能飞轮铝合金轮毂的蠕变温度特性。采用宏观唯像分析方法,通过轮毂在不同温度、不同转速下的蠕变实验,拟合了包含应力、时间、温度等变量在内的完整的反映飞轮轮毂在低温条件下(75℃以下)蠕变规律的蠕变方程。并用有限元分析的方法对飞轮轮毂在工作条件下的蠕变过程进行了模拟。分析结果表明,在40℃的高真空环境下以转速5×104r/m in运行的储能飞轮,在20 a的寿命期内可以忽略铝合金材料蠕变因素对其强度和寿命的影响。     

基于Hamilton能量理论的飞轮储能系统比率一致性控制

基于Hamilton能量理论,提出一种飞轮储能系统比率一致性控制方法。该方法通过对飞轮储能单元转速的调节,实现系统的比率一致性控制,达到飞轮储能系统（FESS）内部功率的合理分配。（a）建立飞轮储能单元端口受控Hamilton(PCH)系统模型,利用PCH系统反馈镇定原理,获得端口受控耗散Hamilton (PCH-D) 模型;(b)研究飞轮储能系统的比率一致性控制问题,应用Hamilton能量成型的控制策略实现飞轮储能单元的转速调节,确保所有飞轮储能单元可以按照同一比率进行能量的储存和释放,实现功率的合理分配;(c)通过仿真验证该控制策略的有效性。结果表明：在比率一致性控制下,所有的飞轮储能单元可以按照同一比例进行能量的储存和释放。     

屏蔽电机主泵惯性飞轮完整性分析

针对屏蔽电机主泵惯性飞轮完整性问题,采用解析法以及有限元软件ANSYS对屏蔽电机主泵飞轮在额定转速以及设计转速下进行结构完整性研究.从结构强度和断裂力学两方面对飞轮进行了分析.结果表明:在额定及设计转速下能够保证飞轮结构的完整性,并通过解析分析结果与有限元分析结果的对比表明分析结果可信.     

基于粒子群算法的转子支承参数优化设计

高速旋转飞轮转子的支承参数决定转子在过系统临界转速时的振幅大小和工作转速下的运行稳定性。选用具备自适应学习能力的粒子群算法(PSO),设计出能够表征系统过临界转速时的振幅和工作转速下衡量系统稳定性的目标函数式,利用PSO和该目标函数式,对系统进行参数优化。实验结果表明,利用PSO算法对该目标函数进行优化,最终得到的高速旋转飞轮转子系统参数,能有效地改善系统性能,提高系统运行稳定性。     

单轴储能及姿态控制系统建模与仿真研究

为了验证在同一轴上安装两个反向旋转飞轮能够同时完成能量存储与姿态控制问题,对一种由偏置动量轮构成的集成化单轴储能及姿态控制系统进行了理论分析及仿真研究.根据实验系统构成及其储、放能过程的特点,推导了系统的数学模型,给出了相应的控制算法,并以Matlab软件下的Simulink为平台,对系统在充、放电过程中气浮转台的角度调节过程和上下飞轮转速变化过程进行了仿真分析.仿真结果表明,利用两个反向旋转飞轮能够在控制转台角度的同时完成储、放能,证明了控制方案的有效性与可行性,为进一步研究储能及姿态控制系统提供了理论和设计依据.     

磁悬浮飞轮系统陀螺效应的抑制

针对磁悬浮飞轮系统的陀螺效应，采用交叉反馈控制进行抑制．分析了引入交叉反馈控制的飞轮系统稳定性，当转速超过某临界转速时，飞轮系统保持稳定，交叉反馈控制可以对陀螺效应进行完全补偿．临界转速与控制器参数以及转子的惯性矩有关，可根据实际需要通过控制器参数进行调整．实验比较了分散PID控制与交叉反馈控制下飞轮系统的性能．实验数据分析的结果表明，分散PID控制下的飞轮系统在12000r／min时由于陀螺效应而失稳，引入交叉反馈控制后，系统在转速达到25000r／min时仍平稳运行．交叉反馈控制对陀螺效应的抑制是有效的．     

高储能密度飞轮结构设计方法

储能密度是复合材料飞轮结构设计的主要技术指标,为提高储能密度,必须选取比强度高的纤维复合材料并尽量提高飞轮的外缘线速度.该文探讨了考虑轴承、电机技术水平和可用材料等约束条件下的飞轮结构设计的一般方法,该方法应用于飞轮储能试验装置研制中,飞轮在试验中达到700 r/s, 外缘线速度达到660 m/s, 储能密度达到 35 Wh/kg.     

飞轮储能用Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机的设计

为了有效简化系统结构,提高系统功率密度和效率,提出一种外转子Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机应用于飞轮储能系统的电动机/发电机.阐述了外转子无轴承永磁电机的工作原理;分析了Halbach阵列永磁转子的结构和性能;通过有限元方法对电机的气隙磁场、反电动势、径向悬浮力、单边磁拉力和电磁转矩进行计算和分析;最后采用场路耦合瞬态有限元法分析了无轴承永磁电机的转子涡流损耗.仿真结果表明,与传统的无轴承电机相比,Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机在气隙磁场、反电动势、径向悬浮力、单边磁拉力、电磁转矩以及转子涡流损耗方面表现出更好的性能,适合应用于飞轮储能系统.     

储能飞轮铝合金轮毂的蠕变特性及寿命

为研究储能飞轮铝合金轮毂蠕变特性,以提高飞轮寿命,采用宏观唯像分析方法,通过轮毂在85℃和7×104r/min转速下的蠕变实验,提出了飞轮轮毂蠕变规律的经验公式,并通过有限元强度计算模拟对蠕变现象进行了理论分析。在轮毂蠕变寿命实验的基础上,提出了基于材料延伸率及韧脆性断裂特性的蠕变破坏模式及其判断依据,并得到实验验证。结果表明,利用蠕变破坏模式和延伸率判断依据可以对飞轮轮毂的蠕变寿命进行预估。     

高速电机转子临界转速计算与振动模态分析

采用3D有限元方法,计算磁力轴承转子系统临界转速并分析振动模态,利用磁悬浮转子系统自身悬浮特性进行激振实验,确定有限元模型中磁力轴承支承刚度,有限元法计算的临界转速与转子系统实际运行临界转速相一致.研究表明,磁力轴承刚度对转子临界转速影响很大,可以通过改变磁力轴承刚度和转子材料来调整临界转速;为了避免转子超越弯曲模态的临界转速,转子轴伸长度应控制在安全范围内.     

开关磁阻电机一体化飞轮储能系统磁场耦合分析

拟定一种新型的飞轮储能系统方案,即电机采用开关磁阻电机,并将电机转子与飞轮电池转子一体化.针对开关磁阻电机定子极绕组和支撑系统中的绕组都会产生磁场并相互影响形成耦合磁场的问题,利用电磁场分析软件分别对开关磁阻电机所产生的磁场、轴向磁力轴承所产生的磁场和径向磁力轴承所产生的磁场进行仿真对比分析.结果表明:开关磁阻电机内部磁场分布在各个情况下都符合"磁阻最小原理",能够正常工作,开关磁阻电机转矩在耦合场的影响下有所变小并使飞轮转子的速度有所提升.     

单轴储能及姿态控制系统建模与仿真研究

为了验证在同一轴上安装两个反向旋转飞轮能够同时完成能量存储与姿态控制问题,对一种由偏置动量轮构成的集成化单轴储能及姿态控制系统进行了理论分析及仿真研究。根据实验系统构成及其储、放能过程的特点,推导了系统的数学模型,给出了相应的控制算法,并以Matlab软件下的Simulink为平台,对系统在充、放电过程中气浮转台的角度调节过程和上下飞轮转速变化过程进行了仿真分析。仿真结果表明,利用两个反向旋转飞轮能够在控制转台角度的同时完成储、放能,证明了控制方案的有效性与可行性,为进一步研究储能及姿态控制系统提供了理论和设计依据。     

涡轮盘随机结构可靠性研究

摘要：利用有限元软件对转子进行可靠性分析时,转子的结构以及其他设计参数都是以确定量来进行分析的, 不能实现设计参数为随机情况下的可靠性分析。以弹性力学为基础,从转子的微元体出发,推导出离心力和温度场同时对转子系统影响的等厚度和变厚度轮盘任意一点的应力计算式。考虑了转子随机结构尺寸、温度应力、转速和材料强度等参数的随机性,利用应力-强度没干涉模型、积分随机有限元和Gram-Charlier级数方法对转子进行可靠性分析,实现了转子系统随机结构的可靠性计算,且计算精度较高。     

基于有限元方法的涡轮分子泵转子系统模态分析

以FB-1500型涡轮分子泵为分析原型,依据分子泵转子系统形状、尺寸、材料、支承形式以及质量分布,建立了分子泵转子系统几何模型.采用有限元方法对转子系统进行模态分析,获得了转子系统的临界转速和振型.模态分析结果表明:泵运行在5~6阶固有频率之间,但未完全满足柔性转子安全设计要求,仍然存在安全隐患.提出改进转轴惯性矩、轴承支撑位置来提高转子系统的固有频率,以确保分子泵的安全运行.获得的转子系统模态,对涡轮分子泵启动加速和停车减速过程控制策略制定、减弱或回避共振带来的安全隐患、提高分子泵使用寿命具有参考价值.