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傳統(tǒng)的飛輪強度計算通常都作如下假設：飛輪是均質圓盤，其內側不受力，它是勻速轉動的。這些簡化和飛輪電池的實際工作情況有很大的出入，例如具有機電能量轉換功能的儲能飛輪輪緣內包含了用于構成電動機發(fā)電機的永磁體及配重，它們對輪緣的內側產(chǎn)生周期性的非均勻分布局部作用力，不符合上述假設。
研究采用三維有限元分析法，考慮飛輪內側接觸應力對飛輪進行了強度分析。飛輪的結構如圖所示，外圈為纖維纏繞的復合材料輪緣，輪緣的內側放置有均布的永磁體，這些永磁體是儲能飛輪變頻電動機轉子主要組成部分，同時它們也能起到增加飛輪轉動慣量的作用，輪緣和輪毅是用高強度纖維通過纏繞聯(lián)結在一起的，飛輪的輪緣截面如圖所示，是半橢圓的，計算表明這種結構對于飛輪的能量存儲是最優(yōu)的，給出了飛輪所受載荷的情況，列出了飛輪的部分結構參數(shù)。
復合于飛輪外側作為輪輻的高強度纖維層對飛輪的作用沿輪緣周向是均勻分布的，但在截面上的分布卻不是均勻的如圖所示。對此問題的處理方法是把作為輪輻使用的高強度纖維層作為模型的一部分附加在輪緣外側，對其單獨劃分單元，采用粘結的方法和輪緣連接在一起。纏繞在飛輪外側的高強度纖維復合材料層存在一個預緊力，為了表示這種受力狀態(tài)，在中間插入一層特殊的單元-預緊單元，這種單元形成一個斷層，可以通過調整預緊單元的參數(shù)調整預緊力，所示輪緣內側永磁材料制成的圓柱體對輪緣的作用是非均布力，它和輪緣的內表面構成了一個接觸對，引入接觸分析進行計算。由于飛輪具有良好的對稱性，因此只需取1/4建立模型即可，三維有限元網(wǎng)格如圖所示。
接觸問題是由于結構的變位引起載荷的大小、方向或邊界支撐條件發(fā)生了變化，結構的平衡方程必須建立在結構變形之后的狀態(tài)上，分析的基本問題是求出當前載荷作用下的平衡狀態(tài)。設所作用的載荷為時間的函數(shù)，則物體有限元離散系統(tǒng)的平衡方程，可表示為式中材料和幾何條件的切向剛度矩陣。
在計算中常采用的迭代方法是修正Newton迭代法，它可以由非線性方程組的Newton-Raphson解法導出。在t時刻到t+t0時刻的過程中，修正Newton法的迭代公式可以表的右端稱為第i步迭代前的不平衡載荷，在迭代過程中，F(xiàn)隨i的增加而逐步逼近pt+4tp，當滿足給定的不平衡載荷向量模的精度指標時，迭代終止。非接觸區(qū)的分析按照有限元分析的常規(guī)步驟進行，不同之處在于考慮了材料的各向異性(橫觀各向同性)。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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