复合材料储能飞轮应力位移场分析及与均质材料飞轮比较.pdf

第28卷第lo期 vd，28．No．10 2∞7年t0月 嘶．20凹 文章编号：0擗0呻6C20昕)10．116B．惦 复合材料储能飞轮应力位移场分析 及与均质材料飞轮比较 李成1，常向前2，郑艳萍1，孟令启1 (1．郑州大学机械工程学院，郑州∞m；2黄委会水科院工程力学研究所，郑州45∞03) 摘要：根据非均质各向异性弹性理论建立了复合材料飞轮的计算模型，得到了复合材料飞轮在工作转速情况下 应力和位移计算的解析公式，给出了任一点的径向、环向应力及径向位移。并按照所建立的计算模型对不同材料 对应力、位移分布的影响进行了分析比较。 关键词：复合材料飞轮；均质材料飞轮；高速旋转；惯性力；应力场和位移场 中图分类号：THl45．4文献标识码：A 复合材料所包含的参数远多于均质材料，每一个参数 0引言 的变化都将引起网格的重新划分，特别是在设计过程 复合材料因其重量轻、强度高、便于整体成型和 中，很多参数都是在试用、试算和比较阶段，这使得计 维护、没有生锈问题等特性在众多领域中的应用越 算量尤为庞大。因此，建立一种对复合材料飞轮进行 来越广泛。储能飞轮的工作转速非常高，减轻其本 解析分析的有效方法就显得非常必要。文献[9]对这 身的重量对提高转速是非常重要的。使用纤维复合 一问题进行了有益的探索，取得了一定成果，但仅给 材料在减轻重量的同时又能提高结构强度，因此非 出某些点的结果，没有讨论角速度或位置的变化对应 常适用于飞轮制作“’2】。另一方面，从安全角度来 力和位移带来的影响。文中所采用的计算手段也限 看，与金属材料飞轮相比，复合材料飞轮具有明显的 制了该方法进一步在工程上的应用。文献[10，11]对 优势。在裂纹扩展、飞轮部分发生断裂时，复合材料 用于汽车能源的复合材料飞轮进行了深入研究，为后 能够较好的阻止裂纹扩展，并在断裂发生时不会像 续的研究奠定了良好的基础。 金属材料那样发生大面积破坏。此外，对于储能飞 为了对不同复合材料飞轮结构进行准确分析， 轮来说特别突出的一个问题是飞轮在高速旋转时所 本文以各向异性弹性理论为基础，采用应力函数对 产生的惯性力对结构的破坏”1，因此，准确确定飞轮 复合材料飞轮进行较为全面的研究，得到了精确边 在高速旋转时的应力分布对提高转速、增大储能密 界条件下的应力、位移解析解，并用所得的解析表达 度、解决飞轮轮缘因高速旋转而断裂破坏的问题具 式分析和评价了转速对飞轮上不同位置处的应力、 有重要意义”J。 位移的影响，同时对不同材料对应力、位移分布的影 以往的研究成果主要是对均质材料旋转体的应 响进行了比较。 力分布问题进行解析分析”J，关于复合材料旋转体的 l力学模型与基本方程 研究工作较少。对于此问题，其难点在于复合材料的 各向异性性质，用解析方法求解时非常繁琐。文献[6 在空间问题中，如果弹性体的几何形状、约束情 —8]用半解析解法或有限元法进行求解，但半解析解 况以及所受的外部作用均对称于某一轴，则所有的 法仅能解决一些具有特定边界条件的问题，并不具有 应力、形变和位移也对称于该轴，此问题即为轴对称 普遍性；而用有限元法对复合材料进行分析时，由于 问题。 收藕日期：200由10—05 基金项目：国家自然科学基金 作者简介：李成(1962一)，男，教授、博士，主要研究方向为复合材料结构强度。ch饥出@皿，．曲。哪 万方数据万方数据 10期 李成等：复合材料储能飞轮应力位移场分析及与均质材料飞轮比较 图l为一个以中心为极点的圆柱型正交各向异 变形协调方程是： 性复合材料飞轮。图中w为角速度，z为转动轴。