[发明专利]复合材料和金属共固化飞轮储能密度优化的制备方法

说明书

一种通过结构优化得到零件参数，设计缠绕成型工艺所需的组合式模具，采用湿法制备预浸料，缠绕成型复合材料轮后进行装配得以实现，本发明解决复合材料飞轮转子的几何参数和工艺参数的选择优化问题，有效提高T700/AG80碳纤维环氧树脂基复合材料/铝合金飞轮的储能密度。

技术领域

本发明涉及的是一种飞轮制造领域的技术，具体是一种复合材料和金属共固化飞轮储能密度优化的制备方法。

背景技术

飞轮作为发电机中的储能元件，其关键指标为储能密度。为了获得较大的储能量和储能密度，最好采用高比强度的材料制作飞轮。相比于金属材料，复合材料因具有高比强高度等优良特性，是制作高速储能飞轮的首选材料。但现有的复合材料飞轮技术均没有针对复合材料特性进行几何参数和工艺参数的选择和优化，使得飞轮的结构强度和储能密度尚无法满足工业需要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种复合材料和金属共固化飞轮储能密度优化的制备方法，解决复合材料飞轮转子的几何参数和工艺参数的选择优化问题，有效提高T700/AG80碳纤维环氧树脂基复合材料/铝合金飞轮的储能密度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过结构优化得到零件参数，设计缠绕成型工艺所需的组合式模具，采用湿法制备预浸料，缠绕成型复合材料轮后进行装配得以实现。

所述的结构优化是指：建立飞轮转子密度优化的数学模型，利用群粒子优化算法求解非线性问题的最优解并得到优化零件参数。

所述的飞轮转子密度优化的数学模型包括：

目标函数：即

约束条件：其中：E为飞轮转子的动能即飞轮的储能量，ω为转子转动的角速度，r₀为飞轮转子的外径，r_i为转子的内径，λ为飞轮转子的内外径比，且λ＝r_i/r₀。

所述的群粒子优化算法是指：针对N个粒子，以目标函数U(x)为适应度函数：记第i个粒子的当前所在位置为x(r)_i＝(x(r)_i1,x(r)_i2,…,x(r)_i5)，速度为v_i＝(v_i1,v_i2,…,v_i5)，粒子i所经过的最佳位置为pbest_i＝(p_i1,p_i2,…,p_i5)；整个种群所经过的最佳位置gbest＝(g₁,g₂,…,g₅)，即是所需寻找到的最优解：gbest＝Max{pbest₁,pbest₂,…,pbest_N}。

所述的模具，优选为45号钢制成，表面锥度1/1000。

所述的预浸料，优选为T700/AG80预浸料，胶膜厚度为0.1mm。

所述的缠绕成型，优选为环向缠绕，纤维缠绕线速度小于0.9m/s，固化温度为160℃，保温3小时。

所述的装配，包括：利用压机与锥度，将复合材料轮的内外环完全装配后，将金属轮辐与复合材料轮环装配，最后将铝合金轮毂浸入液氮并将内圈与之前装配好的复合材料轮环胶接装配。

技术效果

与现有技术相比，本发明结合一般通用算法对飞轮转子储能密度进行多变量优化计算，优化后的飞轮转子储能密度提升约22.2％；由此有效地将碳纤维复合材料轮缘直接缠绕在轮毂上并将其固化成一体，形成复合材料/金属共固化飞轮，这种成型方式可避免飞轮的二次加工，提高飞轮结构强度，进而可进一步提升其储能密度。