复合材料储能飞轮仿真计算1、概述本次计算主要针对在合金钢轮毂周围加上三层碳纤维环氧树脂复合材料模型进行结构辅助设计、强度和转速的校核本次计算利用solid46层实体单元模拟复合材料，并且利用C0NTA171和TARGE169单元的接触分析模拟过盈配合在原有的模型稍微简化，但基本与原模型一致，保证了模拟的真实性计算时，利用参数化建模，可以不断改变模型的尺寸，每改变一次尺寸，进行不同转速的计算，直到脱开为止，然后可以通过最高转速和计算得到的应力分布，比较得出最佳模型经过一系列的计算得到了最优模型，然后在同一转速下用最优模型的应力分布与不加复合材料模型进行比较，可以看出复合材料确实对轮毂起到保护作用另外，纤维缠绕时施加的张紧力，使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加应力，此预加应力和过盈配合的配合使用，可使飞轮得到更高的转速本计算最后得出了加上预加应力飞轮的转速确实得到提高，但不是成线性的增加，而是在预加应力为70MPa时飞轮的转速能够达到最高，本次计算得到了该模型的最优预加应力在缠绕复合材料时控制好张紧力和缠绕层数使得复合材料中间存在的预加应力更加接近该值，指导复合材料的加工2、计算前的准备计算之前主要从复合材料和过盈配合的ansys仿真方面查阅相关文献，争取使模拟更符合实际情况。
2.1复合材料的ansys仿真复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，具有优异的材料性能碳纤维环氧树脂增强复合材料在工程中应用比较典型，该复合材料在做储能飞轮方面有很多明显的优势,例如密度小，比模量大等，在减轻质量的同时又能提高结构的强度这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，ansys提供了处理方法用ansys模拟仿真该复合材料主要存在下列问题：2.1.1单元类型的选择Ansys模拟复合材料可用的单元有：Shell99――线性结构壳单元，用于较小或中等厚度的复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10；Shell91——非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为；Shell181有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料的非线性行为；Solid46——三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；Solid191——三维实体结构单元，高精度单元，不支持材料的非线性和大变形根据本结构的要求，必须是实体单元，且复合材料厚度比较大，有得支持大变形，模拟过盈配合所以本次计算采用solid46单元关于solid46：（1）Solid46是用于模拟复合材料厚壳或实体的8节点三维层合结构单元，单元节点有x、y和z方向三个结构自由度，单元允许最多250层不同的材料；2.1.2 （2）这种单元的定义包括：8个节点、各层厚度、各层材料方向角和正交各项异性材料属性，其中每层可以为面内两个方向双线性的不等厚层；（3）在材料定义时，只需定义材料主方向和材料坐标系（单元坐标系）一致的材料参数，不一致的复合材料层通过定义材料方向角（该层材料主方向和材料坐标系所成的角度）由程序自动转换；（4）通过选择不同的层直接在单元坐标下获取单元应力，包括三个方向的应力和面内剪切应力，而不需要通过应力应变的转换来获取；solid46单元的单元坐标系方向利用solid46模拟外面三层复合材料时，因为建模时必须保证柱坐标形式，即整体坐标系Z轴方向要和模型的轴向相同，从而导致利用默认设置划分网格时，复合材料单元的厚度方向不在模型的径向方向。
本次计算采用先建立局部柱坐标系，方向与总体笛卡尔坐标系重合，在划分复合材料网格时选择网格属性中esys选项，为刚才所建立的局部坐标系划分好网格后利用mainmenu>>preprocessor>>modeling>>Move/Modify>>Elements>>OrientNormal命令，把默认设置改为X负方向轴，角度改为0这样就实现了复合材料厚度方向（单元坐标系的Z轴方向）与模型径向方向的重合2.1.3 solid46单元的层厚度与主方向的设置复合材料要根据其不同的加工工艺设置厚度和主方向，由于缺乏具体的复合材料加工数据，在计算之前本文做了一个不同分层层数和主方向的对比左边图的模型为分层层数为8层，等厚，主方向角设置0,45,-45,90另外四层与其对称右边图模型为16层，等厚，主方向角设置为0,22.5,45,67.5,90，-22.5，-45,-67.5另外八层与其对称给其相同的计算工况，300Rad/s的转速，中间均采用过盈配合，约束中间轴孔计算结果如图2.1至2.4所示：NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=8TIME=1UX(AVG)RSYS=1DMX=.239E-03SMN=-.460E-04SMX=.239E-03NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=8TIME=1UX(AVG)RSYS=1DMX=.228E-03SMN=-.554E-04SMX=.227E-03-.460E-04・174E-04.807E-04・144E-03.207E-03-.143E-04.491E-04.112E-03.176E-03239E-03^554^7^41E^^^^02^04133E^T^^6E-03一・240E-04・388E-04・102E-03・164E-03227E-03图2.18层等厚模型径向位移图2.216层等厚模型径向位移.161E+08.481E+08・800E+08・112E+09144E+09NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=8TIME=1SEQV(AVG)DMX=.239E-03SMN=181371SMX=.144E+09NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=8TIME=1SEQV(AVG)DMX=.228E-03SMN=183326SMX=.142E+09183326・318E+08・634E+08・950E+08・127E+09.160E+08.476E+08.792E+08.111E+09142E+09图2.38层等厚模型节点应力图2.416层等厚模型节点应力从上图比较得出应力位移数值的相差不大，在可以允许的范围内。
为了提高计算效率，本次计算采用第一种铺层方式和主方向设置参考文献廖英强，苏建河.ANSYS在复合材料仿真分析中的应用[J]•纤维复合材料.2006李奕良，戴兴建.复合材料环向缠绕飞轮轮体工艺应力研究[J].机械强度.2010,32(3)⑶杨鼎宁，邹经湘•储能飞轮过盈/脱落过程研究[N].机械工程学报.2003,39(4)[4]沈祖陪•多层复合材料缠绕的“单元死活”有限元计算方法[J]•机械强度.2005,27(4)⑸李地红,李兴冀•复合材料缠绕压力容器缠绕过程模拟[J]•材料科学与工艺.2007,15(15)⑹王树位•复合材料缠绕张力公式建立.[9] [7]张恒•复合材料储能飞轮分层结构研究[D].郑州：郑州大学.2004⑻贾红雨.李成复合材料储能飞轮转子有限元分析J]・玻璃钢复合材料.2009(4)宫能平，夏源明，毛天祥•复合材料飞轮的三维应力分析[J].复合材料学报.2002,19(2)赵韩，杨志轶.复合材料飞轮的设计分析[J].机械强度.2003,25(2)：163〜166廖芳，马力，杨橙•复合材料高速储能飞轮的设计与仿真[J].机械设计.2003杨橙，马力，王仲范.复合材料高速储能飞轮临界转速与极限转速的研究[J].中国机械工程.2003,14(18)李奕良，戴兴建(等).复合材料环向缠绕飞轮轮体工艺应力研究J].机械强度.2010,32(2):265~269白越，吴一辉，宣明.高速储能飞轮转子的设计[J].光学精密工程.2003,11(4)付月，张建宇.基于ANSYS的复合材料飞轮三维有限元分析[J].高性能复合材料结构制造技术.2007李松松•碳纤维复合材料高速转子的力学特性研究及其储能密度优化[D].中国科学院研究生院博士论文.2003秦勇，夏源明，毛天祥.纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值分析[N].复合材料学报.2005,22(4)秦勇，夏源明，毛天祥.纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析[N].复合材料学报.2003,20(6)。