纤维束张紧力对复合材料飞轮强度影响分析

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Research and Analysis on the Fiber Bundle Tension Impacting theStrength of Flywheel with Composite M aterialLIU Gang(Ministry of Foreign Trade，NFC Shenyang Metallurgical Machinery Co.，Ltd.Shenyang 1 10141，China)Abstract：The tensile strength of the flywheel，which is of composite material，is much higher than thatof normal metal materia1.But the low radial shear strength is one of the most important factors for increas-ing the rotary speed.Based on the 3D numerical module and finite element analysis software，this paperstudies 3 D calculation of the rotary speed of composite material flywheels，and analyses how the fibrebundle tension force impacts the strength of the rotor。

Key words：composite material；damage rotary speed；3 D numerical model；finite element analysis高转速飞轮的应用 日益广泛，飞轮对材料强度的要求也愈来愈高。复合材料因其强度高、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强及成型工艺好等特点，已成为高速储能飞轮转子的首选材料 。为存储更多的能量，飞轮转速通常会达到几万转每分，只有有效地提高飞轮的破坏转速才能满足这-要求。

复合材料转子形状大多为空心圆盘或圆柱状，结构- 般分为单环结构和多环结构两种形式。各单独飞轮环采用连续纤维缠 绕工艺制造 ，多环之 间采用过盈装配。为获得较高的线速度，提高飞轮储能密度，需要对飞轮转子进行应力和强度分析，了解各种因素对飞轮应力分布的影响，从而为飞轮结构设计提供依据。

采用正交各向异性材料的最大拉应力准则和基于大部分轴 向区域的各层应力 的平均判据以及全部[收稿日期]2012-10-23[作者简介]刘 刚(1959-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师 ，大学专科，主要从事 国际贸易业务，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司外贸部部长。

边界区域各层应力最大值的判据，建立复合材料飞轮的三维数值模型，可以得出张紧力与径向强度间的数值关系 。而通过使用 ANSYS有限元分析软件，在建立三维模型并进行模拟分析后，可以得到张紧力(使用预紧力代替)对其强度影响曲线，更加直观 的得到它们之间相互影响的关系。通过两种方法的结合，方便我们找出如何通过适当地调整纤维束张紧力来达到提高转子强度。

l 复合材料飞轮的制备原理由复合材料制备高速飞轮，通常是由高强度纤维束经纤维缠绕装置来完成的。图 1为简易纤维缠绕装置缠绕过程中的纤维导 向制备工艺示意图 ，纤维束在承受-定的张紧力的条件下 由纱架开始放线，依次通过磁粉制动器、导向轮、树脂浸胶轮、刮胶轮、刀架导向轮 ，最后再在-金属芯轴上进行缠绕 ；在这个过程中，同时还采用芯轴内的电阻丝加热并用红外灯照射加热的在线固化工艺。使用纤维湿法缠绕快速在线固化系统，制备的高速飞轮抗拉强度高 。纤维束可采用 s型高强度玻璃纤维(SIDP-刘 刚：纤维束张紧力对复合材料飞轮强度影响分析0010)或是碳纤维(T300-T1000)，它们其中的-些材料的机械力学性能见表 1。

图 1 缠绕转置缠 绕导向示意图表 1 几种高强度纤维 力学性能参数增强纤维(基体为环氧) S-glass T300 T800H密度 P(kg/m ) 1800 1600 1640纤维体积含量 ， 75% 70% 7O%纵向弹性模量 E /GPa 55 181 230横向弹性模量 E E /GPa 8.27 1O.3 1O.3泊松比" u 0.26 0.28 O.28泊松 比 u 0.039 0.015 0.O15纵向拉伸强度 X/GPa 1300 1500 2900纵 向压缩强度 Y/GPa 61O 1400 2000横向拉伸强度 X/GPa 31 80 8O横向压缩强度 Y/GPa 118 168 l68利用该装置可以控制纤维束在制成圆盘或圆筒形时束丝的张紧力，在实际试验过程中，可以制备不同纤维束张紧力的复合材料飞轮作为参照，在高速旋转装置上测试复合材料飞轮真实的破坏转速，同时记录其破坏方式，找到使其发生破坏的主要原因。

并对不同的对照组进行比较，可以得到-定的束丝张紧力与飞轮强度关系。

2 三维数值模型计算飞轮破坏转速首先确定飞轮材料、尺寸、张紧力 F和缠绕层数 Ⅳ，并通过计算得到飞轮三维数学模型，再计算出张紧力缠绕飞轮 的初应力 。设定-飞轮初始转速 ，通过三维模型计算 由金属芯轴和飞轮环套组成的飞轮的离心力 ；将金属芯轴作为飞轮的第 0层 ，再利用式(1)和式(2)计算飞轮的第 层径向强度比 r” ( ， )。

.， )：r当r < 时， 0J当rJ 时， (1)当 < ≤r0时， 0R ， )：. 当rJ< 时 0 Um (2)l当r

然后将两个方 向强度 比最大值的大者定义为在该转速下飞轮的总强度比 R max[Rr。 ， 。]。

三维数值计算理论破坏转速的步骤如下：(1)确定材料、尺寸、张紧力和缠绕层数。

(7)按最大值条件选绕算结果，即R max[ ( )，∈(0，N)]max[ r (.，)， ∈(0，N)](8)若按每层最大值判据，则 Rmaxmax[Rr ，(z)]，max[R ，( )]；若按每层平均值判据，则 R maxavg[Rr ，( )]，avg[R ，( )]。

(9)判断结果是否满足I R(i)-1 I<占，如果满足则计算结果正确 ，根据条件 ：( ( /JsR ]修改 ∞后重新计入第三步 的计算。

代人数据后，将得到的计算结果绘制成初始应力和离心应力分布曲线如图2所示。

设选用 s-glass纤维，缠绕纤维截面积为 1.12mm ，缠绕芯轴外径为 70 mm，张紧力为 10 N，缠绕层数为 100层。代入初始值，计算得到结果后绘制关系曲线见图 2。

25有色设备 2013年第 2期图 2 初始应力和离心应力分布 曲线3 复合材料飞轮有限元分析复合材料使用 SOLID46单元，由于复合材料飞轮是轴对称结构，在 ANSYS中建模是，应注意从直角坐标系向轴坐标系转化。同时，应 保证单元的 Z方 向垂直与铺层方 向，而纤维铺层角度 的改变则 通过设置铺层角来调整。

纤维束的张紧力以加载过盈量的方式来完成，加载的方式既可以在单元的 KEYOPT选项中设置OFFSET来得到，也可以在建立有限元模型过程中，预先在2个将要过盈配合体的几何位置上设置出过盈量，并采用接触分析来得到，从而计算出过盈引起的应力分布，预紧力分别取 5 MPa、7 MPa、10 MPa。

对于接 触 对 (两 个 面 单 元 )，则 分 别 设 置 为TARGE170和 CONTA174，每个接触对间共用-个常实数。通过定义 KEYOPT选项，定义两接触面问为粗糙表面 ，避免表面发生滑移现象 。

应用 ANSYS参数化 设计语 言 APDL 建 立复合材料飞轮转子有限元模型，并对其进行三维静力学分析，转子结构有限元模型见图3。

图 3 转 子有限元模型设置三组预紧力，运行后可得到模拟结果，列出关系曲线如图4所示。

4 结束语通过三维数值计算，可以得到精确的数值解，从26岂R厦图 4 三种过盈量下 的径 向应 力而得到纤维束张紧力与离心应力之间关系的大小，为设计校验飞轮转子提供了理论依据，提高了高转速复合材料飞轮转子设计的安全系数。

而有限元分析方法则通过模拟实际情况，印证了数值解的精确性，同时还可以很方便的分析出其他应力的状况 ，为综合分析转子设计 的各项性能提供了参照依据，而且操作简单易行，不像数值解那么繁琐。

通过两种方法的结合，对于主要影响因素，可采用数值-确保设计的安全性，对于次要影响因素，则采用模拟的方式(如 ANSYS等大型分析设计软件)进行验证，从而确保设计的合理性。

最后 ，通过两种方法的对 比，纤维束张紧力对复合材料飞轮转子 的影响如上图分析 曲线所示 ，故在实际生产过程中，按照不同型号的纤维束和粘胶剂，根据实际计算结果，选择适当纤维柬的张紧力，以提高整个飞轮转子的实用性能。