儲(chǔ)能飛輪優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法研究.pdf

1、在能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，節(jié)能和環(huán)保技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的前沿和熱點(diǎn)。儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源高效利用的重要途徑，深受能源界和工業(yè)界的重視。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能密度大、功率密度大、效率高、壽命長(zhǎng)、低污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)最核心的儲(chǔ)能部件，因此，飛輪設(shè)計(jì)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)飛輪系統(tǒng)儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)，將直接決定飛輪系統(tǒng)的儲(chǔ)能性能。本文在吸收現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，深入研究了影響飛輪

2、儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵因素，針對(duì)各向同性材料飛輪、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料飛輪及功能梯度材料飛輪，提出和改進(jìn)了提高飛輪儲(chǔ)能性能的方法和措施，進(jìn)一步完善了高速儲(chǔ)能飛輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論與方法，為設(shè)計(jì)和研制性能可靠、性?xún)r(jià)比高的儲(chǔ)能飛輪，提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)途徑。
　　本文深入研究了各向同性材料飛輪的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，分析了轉(zhuǎn)速對(duì)飛輪形狀的影響，通過(guò)將飛輪轉(zhuǎn)速劃分為低速、中速和高速三個(gè)階段，采用最優(yōu)控制理論，直接得到了飛輪最優(yōu)形狀的解析表達(dá)式，克服了

3、飛輪一般形狀優(yōu)化方法效率低的缺點(diǎn)；通過(guò)比較實(shí)心、空心飛輪低速、中速和高速情況下的最優(yōu)形狀，揭示了各向同性材料實(shí)心和空心飛輪最優(yōu)形狀隨轉(zhuǎn)速改變呈階段性變化的規(guī)律。最后，根據(jù)飛輪形狀優(yōu)化的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了低成本、低轉(zhuǎn)速工況的金屬材料飛輪的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并將其用作汽車(chē)碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力牽引裝置，以?xún)H30 kW功率的電機(jī)，完成了某微型客車(chē)的實(shí)車(chē)正碰試驗(yàn)，驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能在汽車(chē)碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。本文在深入分析傳統(tǒng)漸進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法存在的問(wèn)題

4、和不足的基礎(chǔ)上，引入新的材料插值模型和新的性能收斂指標(biāo)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的基于von Mises應(yīng)力的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(BESO)算法。并結(jié)合有限元軟件Abaqus和編程語(yǔ)言Matlab實(shí)現(xiàn)了該改進(jìn)的BESO算法。運(yùn)用改進(jìn)BESO算法，本文又進(jìn)一步研究了各向同性材料飛輪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，并得到了結(jié)構(gòu)合理、邊界清晰的飛輪最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后，分析和總結(jié)了飛輪的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨結(jié)構(gòu)控制體積、旋轉(zhuǎn)周期數(shù)改變的變化規(guī)律及特點(diǎn)。本文指出并分析了多層過(guò)盈裝

5、配的混合復(fù)合材料飛輪可能產(chǎn)生的多種失效形式：除了離心力作用下復(fù)合材料飛輪沿環(huán)向被拉斷和沿徑向被拉裂以外，還有可能存在層間過(guò)盈壓力過(guò)大把飛輪壓壞或者層間過(guò)盈壓力過(guò)小導(dǎo)致飛輪外層圓環(huán)脫落的失效現(xiàn)象。利用本文提出的可以解決約束非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題的且具有全局收斂性和較高計(jì)算效率的兩階段增廣Lagrange 粒子群優(yōu)化算法(TS-ALPSO)，研究了多層混合復(fù)合材料飛輪的成本優(yōu)化問(wèn)題。分析了飛輪材料價(jià)格不變時(shí)，材料次序、分層數(shù)及過(guò)盈量對(duì)飛輪儲(chǔ)能性能的

6、影響；最后，得到和總結(jié)了飛輪單位成本儲(chǔ)能最大時(shí)，飛輪分層半徑、層間過(guò)盈量及轉(zhuǎn)速隨飛輪材料價(jià)格改變的變化規(guī)律。對(duì)于功能梯度材料(FGM)飛輪，本文首先修正和改進(jìn)了軸對(duì)稱(chēng)平面應(yīng)力理論，克服了飛輪軸向厚度較厚時(shí)，平面應(yīng)力(PS)解誤差大的問(wèn)題，并推導(dǎo)了FGM材料飛輪的三維修正平面應(yīng)力(MPS)解；其次，基于分段三次保形插值法，提出了自適應(yīng)保形(ASP)插值算法，解決了飛輪形狀優(yōu)化時(shí)，形狀控制點(diǎn)位置難選取、數(shù)量難確定的問(wèn)題，提高了飛輪形狀優(yōu)化的