本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，涉及一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝置。

背景技術(shù)：

儲(chǔ)能飛輪是一種新型的能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換裝置。在能源問題日益嚴(yán)峻的今天，由于儲(chǔ)能飛輪具有容量大、效率高、清潔無污染、壽命長以及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電力系統(tǒng)、核電等領(lǐng)域。

評(píng)價(jià)儲(chǔ)能飛輪性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)便是儲(chǔ)能密度，即單位質(zhì)量飛輪轉(zhuǎn)子所儲(chǔ)存的能量。提高飛輪的儲(chǔ)能密度不僅可以高效地利用材料，減少成本，還可以降低轉(zhuǎn)子的整體質(zhì)量，從而降低飛輪系統(tǒng)的自重，避免因系統(tǒng)過重導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載問題。

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子主要是由金屬材料的實(shí)心圓盤構(gòu)成，研究表明其儲(chǔ)能密度與工作轉(zhuǎn)速和圓盤截面形狀相關(guān)。增加工作轉(zhuǎn)速可以提高儲(chǔ)能密度，但是過高的工作轉(zhuǎn)速下，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)材料的破壞，選擇碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子，雖然能滿足轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，但是由于其復(fù)雜工藝以及高成本尚未被廣泛使用。采用等厚度的圓盤做飛輪轉(zhuǎn)子，其儲(chǔ)能密度與厚度值無關(guān)，不過可以通過增加轉(zhuǎn)子外半徑的尺寸來提高儲(chǔ)能密度，然而實(shí)際中的飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的尺寸要求，導(dǎo)致等厚度飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度較低。而如果采用非等厚度的圓盤做飛輪轉(zhuǎn)子，其儲(chǔ)能密度與厚度延徑向的變化即截面形狀有關(guān)，可以通過設(shè)計(jì)圓盤的截面形狀來提高飛輪的儲(chǔ)能密度。截面形狀設(shè)計(jì)難度大，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力和質(zhì)量的約束，因此，如何設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子的截面形狀，就變得極為關(guān)鍵，目前，缺少一種能夠安全高效的設(shè)計(jì)方法來解決這個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提供一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及裝置，采用結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，通過設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子的截面形狀，提高飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度，并設(shè)計(jì)一種具有高儲(chǔ)能密度的飛輪轉(zhuǎn)子裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種提高飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能密度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟：

第一步，構(gòu)建飛輪幾何模型

高速旋轉(zhuǎn)的工作條件下，飛輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，而轉(zhuǎn)子自身重力相對于離心力所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力很小，因此可忽略不計(jì)，進(jìn)而飛輪轉(zhuǎn)子可簡化為二維軸對稱有限元模型。

利用大型通用有限元軟件ansys進(jìn)行前處理過程中的幾何建模。首先，沿飛輪轉(zhuǎn)子半徑方向均勻創(chuàng)建一系列控制點(diǎn)，利用這些控制點(diǎn)，通過ansys中的樣條曲線擬合方法創(chuàng)建一條曲線，描述飛輪轉(zhuǎn)子沿半徑方向的厚度分布，即輪廓幾何形狀，最后完成二維軸對稱的飛輪幾何模型的創(chuàng)建。

二維軸對稱飛輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化幾何模型中，每個(gè)控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)即高度hi為設(shè)計(jì)參數(shù)；飛輪轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑r、外半徑r、主軸高度h0由飛輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值得到。

第二步，利用ansys參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ansysparametricdesignlanguage)建立飛輪轉(zhuǎn)子的參數(shù)化有限元模型。

2.1)根據(jù)第一步得到的飛輪幾何模型，設(shè)置飛輪轉(zhuǎn)子的材料屬性以及選擇單元類型；由于飛輪為二維軸對稱模型，選擇單元類型時(shí)采用高精度的二維8節(jié)點(diǎn)單元plane82，并設(shè)置單元屬性為軸對稱。

2.2)采用人工定義網(wǎng)格尺寸的方法對飛輪幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，施加一個(gè)轉(zhuǎn)速模擬旋轉(zhuǎn)離心體力，給主軸中心線以及轉(zhuǎn)子的下邊界施加對稱邊界條件；定義求解以及添加后處理命令，需要定義輸出模型的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)的最大mises應(yīng)力以及繞主軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量信息，最后完成命令流文件的創(chuàng)建。

施加載荷過程中，由于忽略重力，因此只需通過給模型施加一個(gè)轉(zhuǎn)速模擬旋轉(zhuǎn)離心體力。對于軸對稱模型，施加邊界條件時(shí)，只需給主軸中心線以及轉(zhuǎn)子的下邊界施加對稱邊界條件即可。

2.3)運(yùn)行步驟2.2)得到的命令流文件，對飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析生成結(jié)果文件，完成參數(shù)化有限元模型的創(chuàng)建，并獲得完整的命令流文件和結(jié)果文件。

所述的命令流文件包含完整的關(guān)于飛輪幾何模型建立、材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、載荷以及邊界條件的施加、定義求解以及后處理的所有命令。

第三步，基于isight參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)，對第二步創(chuàng)建的參數(shù)化有限元模型進(jìn)行飛輪結(jié)構(gòu)有限元分析，搭建優(yōu)化模型。

3.1)將命令流文件作為輸入文件，并將各個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)即高度hi作為設(shè)計(jì)變量。

3.2)通過定義批處理文件(.bat)調(diào)用軟件ansys，實(shí)現(xiàn)對命令流文件的運(yùn)行，得到結(jié)果文件，結(jié)果文件中包含需要定義輸出模型的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)的最大mises應(yīng)力以及繞主軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量信息；將結(jié)果文件作為輸出文件，將模型的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的最大mises作為約束條件，將最大化轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即最大化飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能作為優(yōu)化目標(biāo)，得到優(yōu)化模型。此步驟中的整個(gè)過程即完成了從輸入文件到調(diào)用程序計(jì)算，再到輸出文件讀取的整個(gè)流程。

第四步，利用isight優(yōu)化算法，進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算搜尋優(yōu)化模型的最優(yōu)解。

第三步中完成優(yōu)化模型的建立，但是缺少優(yōu)化算法來生成設(shè)計(jì)點(diǎn)，從而驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模型持續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算搜尋最優(yōu)解(即8個(gè)控制點(diǎn)的高度最終值)，由于此處的形狀優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)不能用變量的顯函數(shù)來描述從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的梯度優(yōu)化算法不可用。

選用一種直接搜索方法即下山單純形法(downhillsimplex方法)，進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，搜尋最優(yōu)解，搜尋過程中只評(píng)價(jià)控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，而不需要求解梯度。優(yōu)化迭代計(jì)算具體過程為：首先計(jì)算第一步給定的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，判斷是否滿足約束條件：如果不滿足，返回修改設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，如果滿足，繼續(xù)計(jì)算；繼續(xù)計(jì)算后判斷目標(biāo)函數(shù)是否增大：如果否，返回修改設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)；如果是，判斷目標(biāo)函數(shù)是否滿足收斂條件，如果否，返回修改設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，繼續(xù)計(jì)算，如果是，輸出設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，即為最優(yōu)解，得到優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子。所述的收斂條件為軟件默認(rèn)值。優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子的為延徑向不等厚的截面形狀，靠近中心位置的厚度略大，延徑向逐漸減小，靠近邊緣的位置厚度增加，質(zhì)量主要集中在輪緣位置，這種結(jié)構(gòu)極大提高了飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度，而且保證了飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法得到的提高飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能密度的裝置，所述的裝置為優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子，如圖4所示。所述的飛輪轉(zhuǎn)子裝置包括上端板、非等厚轉(zhuǎn)子、下端板和主軸；非等厚轉(zhuǎn)子為優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子。

所述的主軸和非等厚轉(zhuǎn)子為一體或分體結(jié)構(gòu)；當(dāng)主軸和非等厚轉(zhuǎn)子為分體結(jié)構(gòu)時(shí)，非等厚轉(zhuǎn)子通過過盈配合方式裝配到主軸上；上端板和下端板為中空的環(huán)狀薄板，內(nèi)徑與主軸外徑相同，外徑與非等厚轉(zhuǎn)子外徑相同，上端板和下端板在內(nèi)徑外側(cè)和外徑內(nèi)側(cè)布置一系列螺紋通孔，上端板和下端板通過螺栓固定在非等厚轉(zhuǎn)子上，上下端板固定后形成一個(gè)圓盤狀整體結(jié)構(gòu)，減小飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)來自周圍環(huán)境流體所產(chǎn)生的阻力。螺紋通孔的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際需要確定。

所述的非等厚轉(zhuǎn)子為軸對稱結(jié)構(gòu)，其主視圖和俯視圖如圖5(a)或圖5(b)所示，靠近中心位置的厚度略大，延徑向逐漸減小，靠近邊緣的位置厚度增加，且非等厚轉(zhuǎn)子在與主軸相鄰的地方加工一圈平臺(tái)，平臺(tái)上布置一系列螺紋孔，非等厚轉(zhuǎn)子邊緣處也加工一圈平臺(tái)，平臺(tái)上同樣布置一系列螺紋孔，這些螺紋孔與上端板和下端板上的螺紋通孔一一對應(yīng)，用來螺栓固定用。螺紋孔的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際需要確定。

本發(fā)明的效果和益處是，利用有限元分析方法結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子的截面形狀，在滿足質(zhì)量設(shè)計(jì)以及許用結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力設(shè)計(jì)的條件下，通過設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子延徑向的厚度分布，提高飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度。相對于等厚圓盤飛輪轉(zhuǎn)子，經(jīng)過截面形狀優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度可以提高20％以上。此外，在飛輪轉(zhuǎn)子的外層設(shè)置端板，可以有效降低高速旋轉(zhuǎn)工作條件下，飛輪轉(zhuǎn)子周邊環(huán)境流體所產(chǎn)生的阻力，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為飛輪轉(zhuǎn)子形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程圖；

圖2為利用8個(gè)控制點(diǎn)對飛輪轉(zhuǎn)子二維軸對稱結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模示意圖；

圖3為優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子二維截面形狀示意圖；

圖4為高儲(chǔ)能密度飛輪轉(zhuǎn)子裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；

圖5(a)為高儲(chǔ)能密度飛輪轉(zhuǎn)子裝置非等厚轉(zhuǎn)子的主視圖；

圖5(b)為高儲(chǔ)能密度飛輪轉(zhuǎn)子裝置非等厚轉(zhuǎn)子的俯視圖；

圖中：1上端板；2非等厚轉(zhuǎn)子；3下端板；4主軸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖來說明本發(fā)明的具體實(shí)施方案。

第一步，如圖2所示，在有限元ansys軟件進(jìn)行前處理過程的幾何建模。首先沿轉(zhuǎn)子的半徑方向均勻創(chuàng)建8個(gè)控制點(diǎn)(keypoints)，再選用ansys中曲線創(chuàng)建方式中的樣條曲線擬合創(chuàng)建方法(splinethrukps)，依次通過這8個(gè)點(diǎn)來形成一條曲線，從而描述轉(zhuǎn)子沿半徑方向的厚度分布曲線，接著創(chuàng)建主軸和轉(zhuǎn)子的上下邊界以及右邊界。其中8個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)即縱坐標(biāo)為設(shè)計(jì)參數(shù)，給定h1初始值，hi(i＝2,…,8)初始值，且設(shè)定h1大于hi的初始值。樣條曲線在a端點(diǎn)處光滑過度并與主軸的軸向(豎直方向)相切，同理，曲線在b端點(diǎn)處與半徑方向(水平方向)相切，最后完成飛輪結(jié)構(gòu)幾何模型的創(chuàng)建。

第二步，采用apdl語言建立飛輪轉(zhuǎn)子二維軸對稱結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型。通過第一步可以完成幾何模型的建立，接著需要定義轉(zhuǎn)子的材料屬性(materialmodel)，即彈性模量，泊松比以及密度等，然后是選擇單元類型(elementtype)，由于飛輪轉(zhuǎn)子是一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，此處選擇使用精度較高的二維8節(jié)點(diǎn)單元plane82，并設(shè)置單元的行為屬性(elementbehavior)為軸對稱。接著，通過人工定義網(wǎng)格尺寸(manualsize)的方式來布種，即定義線條上的網(wǎng)格尺寸，從而進(jìn)行二維平面網(wǎng)格劃分。模型施加載荷過程時(shí)，為了模擬飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，通過定義整體模型繞主軸中心即y軸(見圖2)的角速度(angularveloc)來施加離心體力載荷。由于圖2為四分之一的有限元模型,因此在施加邊界條件時(shí)，將圖2中的左邊界(主軸中心線)和下邊界(即轉(zhuǎn)子下邊界)皆定義為對稱邊界約束(symmetryb.c.)。緊接著添加有限元求解命令即定義靜力學(xué)分析(static)，以及添加后處理命令即定義計(jì)算結(jié)果的輸出參數(shù)，即轉(zhuǎn)子的整體質(zhì)量、結(jié)構(gòu)最大mises應(yīng)力以及轉(zhuǎn)子繞主軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，完成命令流文件的創(chuàng)建。最后啟動(dòng)ansys運(yùn)行此命令流文件，對飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，生成結(jié)果文件，檢查結(jié)果文件中的輸出參數(shù)信息，完成結(jié)果文件的創(chuàng)建。此步驟即完成參數(shù)化有限元模型的創(chuàng)建。

第三步，基于isight參數(shù)優(yōu)化軟件平臺(tái)搭建優(yōu)化模型。首先，將命令流文件設(shè)置為輸入文件(input.txt)，并將8個(gè)控制點(diǎn)的高度參數(shù)設(shè)置為輸入?yún)?shù)即設(shè)計(jì)變量，給定h1初始值設(shè)，hi(i＝2,…,8)初始值，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，8個(gè)參數(shù)的取值范圍皆為0～(h1初始值)。然后編寫批處理文件.bat文件來調(diào)用ansys運(yùn)行輸入文件進(jìn)行計(jì)算，即進(jìn)行有限元分析，計(jì)算完成后生成結(jié)果文件，結(jié)果文件中包含了計(jì)算后的模型質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(mises應(yīng)力)等信息。將計(jì)算結(jié)果文件設(shè)置為輸出文件(output.txt)，并讀取文件中的轉(zhuǎn)子的質(zhì)量(mass)以及結(jié)構(gòu)最大mises應(yīng)力值信息并設(shè)置為約束條件(constraint)，再定義最大化(maximize)模型繞主軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(inertia)為優(yōu)化目標(biāo)(objective)。此步驟中，整個(gè)過程即完成了從輸入文件到調(diào)用程序計(jì)算，再到輸出文件讀取的整個(gè)流程。

第四步，有了優(yōu)化模型后，需要利用isight內(nèi)置的優(yōu)化算法在滿足約束條件的情況下生成設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過迭代計(jì)算從而搜尋最優(yōu)解(即8個(gè)控制點(diǎn)的高度最終值)。由于此處的形狀優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)不能用變量的顯函數(shù)來描述從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的梯度優(yōu)化算法不可用，因此此處選用一種直接搜索方法即下山單純形法(downhillsimplex方法)來搜尋最優(yōu)解，只需要評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)點(diǎn)而不需求梯度。通過計(jì)算一系列的設(shè)計(jì)點(diǎn)并比較前后目標(biāo)值，以及判斷其是否滿足殘差要求，直至滿足收斂條件，最終獲得最優(yōu)解。優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子二維截面形狀如圖3所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在同等質(zhì)量下相對于實(shí)心圓盤飛輪轉(zhuǎn)子，優(yōu)化后的飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能密度可以提高20％以上。

高儲(chǔ)能密度的飛輪轉(zhuǎn)子裝置，如圖4所示。飛輪轉(zhuǎn)子由上端板1、非等厚轉(zhuǎn)子2、下端板3組成。主軸4和非等厚轉(zhuǎn)子2可以是一體的，也可以是分體結(jié)構(gòu)，當(dāng)主軸4和非等厚轉(zhuǎn)子2是分體時(shí)，非等厚轉(zhuǎn)子2可以通過過盈配合的方式裝配到主軸4上。上端板1和下端板3通過螺栓固定在非等厚轉(zhuǎn)子2上，上下端板固定后，形成一個(gè)圓盤狀整體結(jié)構(gòu)，減小了飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)來自周圍環(huán)境流體所產(chǎn)生的阻力。