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)境問題日益嚴(yán)峻的今天，節(jié)能和環(huán)保技術(shù)已成為國內(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、低污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、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、性價(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)問題，分析了轉(zhuǎn)速對飛輪形狀的影響，通過將飛輪轉(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)，并將其用作汽車碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力牽引裝置，以僅30 kW功率的電機(jī)，完成了某微型客車的實(shí)車正碰試驗(yàn)，驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能在汽車碰撞試驗(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盈壓力過大把飛輪壓壞或者層間過盈壓力過小導(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性優(yōu)化問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)及過盈量對飛輪儲(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、層間過盈量及轉(zhuǎn)速隨飛輪材料價(jià)格改變的變化規(guī)律。對于功能梯度材料(FGM)飛輪，本文首先修正和改進(jìn)了軸對稱平面應(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)量難確定的問題，提高了飛輪形狀優(yōu)化的