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多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计

杨立平 任正义

杨立平, 任正义. 多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(12): 1863-1870. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200285
引用本文: 杨立平, 任正义. 多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(12): 1863-1870. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200285
YANG Liping, REN Zhengyi. Stress Analysis and Optimal Design of Multi-layer Composite Flywheel[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(12): 1863-1870. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200285
Citation: YANG Liping, REN Zhengyi. Stress Analysis and Optimal Design of Multi-layer Composite Flywheel[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(12): 1863-1870. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200285

多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200285
基金项目: 

国家"863"高技术研究发展计划项目 2013AA050802

黑龙江省博士后启动基金项目 LBH-Q16049

详细信息
    作者简介:

    杨立平(1974-), 博士, 研究方向为飞轮储能技术与应用, yanglipingylp02@126.com

    通讯作者:

    任正义, 教授, 博士生导师, Renzhengyi@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TH131.7

Stress Analysis and Optimal Design of Multi-layer Composite Flywheel

  • 摘要: 修正多层复合材料飞轮转子因过盈装配产生的应力的计算方法, 给出一种飞轮转子在纤维缠绕时产生的应力的计算方法; 研究基于改进海明距离的种群初始化方法和基于进化代数的反馈变异方法, 提出反馈自适应遗传算法(Feedback adaptive genetic algorithm, FAGA); 利用FAGA算法, 考虑应力约束、质量约束, 以储质量储能密度(EPM)、成本储能密度(EPC)为目标, 探讨多层复合材料飞轮优化问题。仿真分析验证了应力计算方法的合理性和FAGA算法的寻优能力, 揭示了应力约束、质量约束及设计目标对内外径比、转速、EPMEPC的影响规律。
  • 图  1  多层飞轮过盈装配

    图  2  复合材料飞轮缠绕时的受力状态

    图  3  FAGA算法流程图

    图  4  过盈装配时飞轮的应力

    图  5  缠绕产生的应力

    图  6  飞轮周向应力σθ和径向应力σr对比

    图  7  算法收敛曲线对比

    图  8  不同应力约束下转子的应力

    表  1  复合材料参数

    材料参数 材料Ⅰ 材料Ⅱ 材料Ⅲ
    纵向弹性模量Eθ/MPa 38 600 130 000 155 000
    横向弹性模量Er/MPa 8 270 9 000 9 000
    泊松比υθr 0.26 0.3 0.38
    纵向拉伸强度XT/MPa 1 020 1 800 2 900
    纵向压缩强度Xc/MPa 610 1 400 2 000
    横向拉伸强度YT/MPa 40 80 80
    横向压缩强度Yc/MPa 118 168 168
    密度ρ/(kg·m-3) 2 300 1760 1570
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    表  2  三层飞轮装配应力对比

    参数 本文方法-材料Ⅱ 文献[4]方法-材料Ⅱ 本文方法-材料Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ
    最小σθ/MPa -25.3 -24.6 -18.8
    最小σr/MPa -6.1 -6.0 -3.6
    最大σθ/MPa 24.6 24.5 26.1
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    表  3  文献[6]中材料参数

    材料参数 金属芯轴 复合材料
    纵向弹性模量Eθ/MPa 202 000 181 000
    横向弹性模量Er/MPa 202 000 10 300
    泊松比υθr 0.3 0.28
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    表  4  三层飞轮应力分析方案

    参数 方案A 方案B 方案C
    δai(i=1, 2)/mm 0 0.2 0.2
    T/(N·mm-2) 0 0 10
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    表  5  三层转子总应力对比

    参数 第一层方案A/B/C 第二层方案A/B/C 第三层方案A/B/C
    最大σθ/MPa 830/793/787 878/886/882 929/987/985
    最大σr/MPa 7.9/5.3/5.0 8.4/4.2/4.0 1.7/0.4/0.3
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    表  6  算法优化对比

    文献[13] IAGA FAGA
    最优解(ω/α1/α2) 2014/0.844/0.8 2172/0.890/0.792 2190/0.9/0.75
    1/EPM/(kg·MJ-1) 2.203 2.177 2.128
    各层最大σθ/MPa 766/892/0 816/944/995 816/970/0
    Mop/kg 91.0 96.5 87
    收敛迭代次数 152 109 26
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    表  7  优化设计前后结果

    名称 ω/α1/α2 各层最大σθ/MPa Mop/kg EPM/(kJ·kg-1) EPC/(kJ·CO-1)
    优化前 2100/0.85/0.85 787/882/985 88.4 426 1479
    目标EPC 1881/0.75/0.9 816/875/0 98.7 345 3180
    目标EPM 2190/0.9/0.75 816/1058/0 87 470 1677
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    表  8  CN1、CN2下优化设计结果

    应力约束 ω/α1/α2 各层最大总应力σθ/MPa EPM/(kJ·kg-1)
    CN1 2190/0.9/0.75 816/1058/0 470
    CN2 2184/0.9/0.75 787/1027/0 467
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    表  9  优化设计对比

    目标Gc/kg ω/α1/α2 各层最大σθ/MPa Mop/kg EPM/(kJ·kg-1) EPC/(kJ·CO-1)
    EPM/90 2190/0.9/0.75 816/1058/0 87 470 1677
    EPC/90 2100/0.856/0.789 816/1007/0 90 430 1829
    EPCEPM/85 2190/0.9/0.808 816/882/985 85 466 1332
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  • 收稿日期:  2020-06-07
  • 刊出日期:  2021-12-05

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