CN107092726B - 一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源领域，提供一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法及装置。沿转子半径方向布置控制点，利用样条曲线拟合方法描述转子的厚度分布，建立飞轮结构参数优化模型，并采用有限元分析以及结构优化的数学方法，对飞轮转子的截面形状进行优化设计，实现提高飞轮转子储能密度的设计目标。本发明的效果和益处是，在满足质量以及结构应力条件下，通过设计飞轮转子的厚度分布，有效地提高储能密度；此外，在飞轮转子的外层加固端板，有效降低高速旋转下周围流体所产生的阻力。此结构设计方法和装置广泛适用于各工程领域中的飞轮结构设计。

Description

一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法及装置
技术领域
本发明属于新能源领域，涉及一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法及装置。
背景技术
储能飞轮是一种新型的能量储存与转换装置。在能源问题日益严峻的今天，由于储能飞轮具有容量大、效率高、清洁无污染、寿命长以及维护简单等优点，因此被广泛应用于汽车、航空航天、电力系统、核电等领域。
评价储能飞轮性能的一项重要指标便是储能密度，即单位质量飞轮转子所储存的能量。提高飞轮的储能密度不仅可以高效地利用材料，减少成本，还可以降低转子的整体质量，从而降低飞轮系统的自重，避免因系统过重导致结构承载问题。
传统的储能飞轮转子主要是由金属材料的实心圆盘构成，研究表明其储能密度与工作转速和圆盘截面形状相关。增加工作转速可以提高储能密度，但是过高的工作转速下，会导致转子内部产生很大的应力，进而导致转子结构材料的破坏，选择碳纤维增强复合材料制造储能飞轮转子，虽然能满足转子在高转速下的结构强度要求，但是由于其复杂工艺以及高成本尚未被广泛使用。采用等厚度的圆盘做飞轮转子，其储能密度与厚度值无关，不过可以通过增加转子外半径的尺寸来提高储能密度，然而实际中的飞轮结构设计有着严格的尺寸要求，导致等厚度飞轮转子的储能密度较低。而如果采用非等厚度的圆盘做飞轮转子，其储能密度与厚度延径向的变化即截面形状有关，可以通过设计圆盘的截面形状来提高飞轮的储能密度。截面形状设计难度大，需要综合考虑结构应力和质量的约束，因此，如何设计飞轮转子的截面形状，就变得极为关键，目前，缺少一种能够安全高效的设计方法来解决这个问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法及装置，采用结构形状优化的数学方法，通过设计飞轮转子的截面形状，提高飞轮转子的储能密度，并设计一种具有高储能密度的飞轮转子装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法，具体包括以下步骤：
第一步，构建飞轮几何模型
高速旋转的工作条件下，飞轮转子内部会产生很大的离心力，而转子自身重力相对于离心力所产生的结构应力很小，因此可忽略不计，进而飞轮转子可简化为二维轴对称有限元模型。
利用大型通用有限元软件ANSYS进行前处理过程中的几何建模。首先，沿飞轮转子半径方向均匀创建一系列控制点，利用这些控制点，通过ANSYS中的样条曲线拟合方法创建一条曲线，描述飞轮转子沿半径方向的厚度分布，即轮廓几何形状，最后完成二维轴对称的飞轮几何模型的创建。
二维轴对称飞轮结构参数化几何模型中，每个控制点的纵坐标即高度hi为设计参数；飞轮转子的内半径r、外半径R、主轴高度h0由飞轮系统的设计值得到。
第二步，利用ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language)建立飞轮转子的参数化有限元模型。
2.1)根据第一步得到的飞轮几何模型，设置飞轮转子的材料属性以及选择单元类型；由于飞轮为二维轴对称模型，选择单元类型时采用高精度的二维8节点单元PLANE82，并设置单元属性为轴对称。
2.2)采用人工定义网格尺寸的方法对飞轮几何模型进行网格划分后，施加一个转速模拟旋转离心体力，给主轴中心线以及转子的下边界施加对称边界条件；定义求解以及添加后处理命令，需要定义输出模型的质量，结构的最大Mises应力以及绕主轴中心的转动惯量信息，最后完成命令流文件的创建。
施加载荷过程中，由于忽略重力，因此只需通过给模型施加一个转速模拟旋转离心体力。对于轴对称模型，施加边界条件时，只需给主轴中心线以及转子的下边界施加对称边界条件即可。
2.3)运行步骤2.2)得到的命令流文件，对飞轮结构进行有限元分析生成结果文件，完成参数化有限元模型的创建，并获得完整的命令流文件和结果文件。
所述的命令流文件包含完整的关于飞轮几何模型建立、材料属性定义、网格划分、载荷以及边界条件的施加、定义求解以及后处理的所有命令。
第三步，基于ISIGHT参数优化平台，对第二步创建的参数化有限元模型进行飞轮结构有限元分析，搭建优化模型。
3.1)将命令流文件作为输入文件，并将各个控制点的坐标参数即高度hi作为设计变量。
3.2)通过定义批处理文件(.bat)调用软件ANSYS，实现对命令流文件的运行，得到结果文件，结果文件中包含需要定义输出模型的质量，结构的最大Mises应力以及绕主轴中心的转动惯量信息；将结果文件作为输出文件，将模型的质量、结构的最大Mises作为约束条件，将最大化转动惯量作为优化目标函数，即最大化飞轮转子的储能作为优化目标，得到优化模型。此步骤中的整个过程即完成了从输入文件到调用程序计算，再到输出文件读取的整个流程。
第四步，利用ISIGHT优化算法，进行优化迭代计算搜寻优化模型的最优解。
第三步中完成优化模型的建立，但是缺少优化算法来生成设计点，从而驱动优化模型持续进行迭代计算搜寻最优解(即8个控制点的高度最终值)，由于此处的形状优化问题中的目标函数不能用变量的显函数来描述从而导致传统的梯度优化算法不可用。
选用一种直接搜索方法即下山单纯形法(Downhill Simplex方法)，进行优化迭代计算，搜寻最优解，搜寻过程中只评价控制点的设计参数，而不需要求解梯度。优化迭代计算具体过程为：首先计算第一步给定的初始设计参数，判断是否满足约束条件：如果不满足，返回修改设计点参数，如果满足，继续计算；继续计算后判断目标函数是否增大：如果否，返回修改设计点参数；如果是，判断目标函数是否满足收敛条件，如果否，返回修改设计点参数，继续计算，如果是，输出设计点参数，即为最优解，得到优化后的飞轮转子。所述的收敛条件为软件默认值。优化后的飞轮转子的为延径向不等厚的截面形状，靠近中心位置的厚度略大，延径向逐渐减小，靠近边缘的位置厚度增加，质量主要集中在轮缘位置，这种结构极大提高了飞轮转子的储能密度，而且保证了飞轮转子的结构强度。
采用上述结构设计方法得到的提高飞轮转子储能密度的装置，所述的装置为优化后的飞轮转子，如图4所示。所述的飞轮转子装置包括上端板、非等厚转子、下端板和主轴；非等厚转子为优化后的飞轮转子。
所述的主轴和非等厚转子为一体或分体结构；当主轴和非等厚转子为分体结构时，非等厚转子通过过盈配合方式装配到主轴上；上端板和下端板为中空的环状薄板，内径与主轴外径相同，外径与非等厚转子外径相同，上端板和下端板在内径外侧和外径内侧布置一系列螺纹通孔，上端板和下端板通过螺栓固定在非等厚转子上，上下端板固定后形成一个圆盘状整体结构，减小飞轮转子高速旋转时来自周围环境流体所产生的阻力。螺纹通孔的个数根据实际需要确定。
所述的非等厚转子为轴对称结构，其主视图和俯视图如图5(a)或图5(b)所示，靠近中心位置的厚度略大，延径向逐渐减小，靠近边缘的位置厚度增加，且非等厚转子在与主轴相邻的地方加工一圈平台，平台上布置一系列螺纹孔，非等厚转子边缘处也加工一圈平台，平台上同样布置一系列螺纹孔，这些螺纹孔与上端板和下端板上的螺纹通孔一一对应，用来螺栓固定用。螺纹孔的个数根据实际需要确定。
本发明的效果和益处是，利用有限元分析方法结合结构优化设计的数学方法，优化设计飞轮转子的截面形状，在满足质量设计以及许用结构最大应力设计的条件下，通过设计飞轮转子延径向的厚度分布，提高飞轮转子的储能密度。相对于等厚圆盘飞轮转子，经过截面形状优化后的飞轮转子的储能密度可以提高20％以上。此外，在飞轮转子的外层设置端板，可以有效降低高速旋转工作条件下，飞轮转子周边环境流体所产生的阻力，提高能量转换效率。
附图说明
图1为飞轮转子形状优化设计的流程图；
图2为利用8个控制点对飞轮转子二维轴对称结构的参数化建模示意图；
图3为优化后的飞轮转子二维截面形状示意图；
图4为高储能密度飞轮转子装置的结构设计示意图；
图5(a)为高储能密度飞轮转子装置非等厚转子的主视图；
图5(b)为高储能密度飞轮转子装置非等厚转子的俯视图；
图中：1上端板；2非等厚转子；3下端板；4主轴。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图来说明本发明的具体实施方案。
第一步，如图2所示，在有限元ANSYS软件进行前处理过程的几何建模。首先沿转子的半径方向均匀创建8个控制点(Keypoints)，再选用ANSYS中曲线创建方式中的样条曲线拟合创建方法(Spline thru KPs)，依次通过这8个点来形成一条曲线，从而描述转子沿半径方向的厚度分布曲线，接着创建主轴和转子的上下边界以及右边界。其中8个控制点的坐标参数即纵坐标为设计参数，给定h1初始值，hi(i＝2,…,8)初始值，且设定h1大于hi的初始值。样条曲线在A端点处光滑过度并与主轴的轴向(竖直方向)相切，同理，曲线在B端点处与半径方向(水平方向)相切，最后完成飞轮结构几何模型的创建。
第二步，采用APDL语言建立飞轮转子二维轴对称结构参数化有限元模型。通过第一步可以完成几何模型的建立，接着需要定义转子的材料属性(Material Model)，即弹性模量，泊松比以及密度等，然后是选择单元类型(Element type)，由于飞轮转子是一个旋转体，此处选择使用精度较高的二维8节点单元PLANE82，并设置单元的行为属性(Elementbehavior)为轴对称。接着，通过人工定义网格尺寸(ManualSize)的方式来布种，即定义线条上的网格尺寸，从而进行二维平面网格划分。模型施加载荷过程时，为了模拟飞轮转子高速旋转工作状态，通过定义整体模型绕主轴中心即Y轴(见图2)的角速度(Angular Veloc)来施加离心体力载荷。由于图2为四分之一的有限元模型,因此在施加边界条件时，将图2中的左边界(主轴中心线)和下边界(即转子下边界)皆定义为对称边界约束(SymmetryB.C.)。紧接着添加有限元求解命令即定义静力学分析(Static)，以及添加后处理命令即定义计算结果的输出参数，即转子的整体质量、结构最大Mises应力以及转子绕主轴中心的转动惯量等，完成命令流文件的创建。最后启动ANSYS运行此命令流文件，对飞轮结构进行有限元分析，生成结果文件，检查结果文件中的输出参数信息，完成结果文件的创建。此步骤即完成参数化有限元模型的创建。
第三步，基于ISIGHT参数优化软件平台搭建优化模型。首先，将命令流文件设置为输入文件(input.txt)，并将8个控制点的高度参数设置为输入参数即设计变量，给定h1初始值设，hi(i＝2,…,8)初始值，优化设计过程中，8个参数的取值范围皆为0～(h1初始值)。然后编写批处理文件.bat文件来调用ANSYS运行输入文件进行计算，即进行有限元分析，计算完成后生成结果文件，结果文件中包含了计算后的模型质量，转动惯量以及结构最大应力(Mises应力)等信息。将计算结果文件设置为输出文件(output.txt)，并读取文件中的转子的质量(Mass)以及结构最大Mises应力值信息并设置为约束条件(Constraint)，再定义最大化(Maximize)模型绕主轴中心的转动惯量(Inertia)为优化目标(Objective)。此步骤中，整个过程即完成了从输入文件到调用程序计算，再到输出文件读取的整个流程。
第四步，有了优化模型后，需要利用ISIGHT内置的优化算法在满足约束条件的情况下生成设计点，通过迭代计算从而搜寻最优解(即8个控制点的高度最终值)。由于此处的形状优化问题中的目标函数不能用变量的显函数来描述从而导致传统的梯度优化算法不可用，因此此处选用一种直接搜索方法即下山单纯形法(Downhill Simplex方法)来搜寻最优解，只需要评价设计点而不需求梯度。通过计算一系列的设计点并比较前后目标值，以及判断其是否满足残差要求，直至满足收敛条件，最终获得最优解。优化后的飞轮转子二维截面形状如图3所示。计算结果显示，在同等质量下相对于实心圆盘飞轮转子，优化后的飞轮转子的储能密度可以提高20％以上。
高储能密度的飞轮转子装置，如图4所示。飞轮转子由上端板1、非等厚转子2、下端板3组成。主轴4和非等厚转子2可以是一体的，也可以是分体结构，当主轴4和非等厚转子2是分体时，非等厚转子2可以通过过盈配合的方式装配到主轴4上。上端板1和下端板3通过螺栓固定在非等厚转子2上，上下端板固定后，形成一个圆盘状整体结构，减小了飞轮转子高速旋转时来自周围环境流体所产生的阻力。

Claims (2)

1.一种提高飞轮转子储能密度的结构设计方法，其特征在于以下步骤：
第一步，构建飞轮几何模型
将飞轮转子简化为二维轴对称有限元模型；沿飞轮转子半径方向均匀创建一系列控制点，利用上述控制点通过ANSYS中的样条曲线拟合方法创建一条曲线，描述飞轮转子沿半径方向的轮廓几何形状，创建二维轴对称的飞轮几何模型；每个控制点的纵坐标即高度hi为设计参数，飞轮转子的内半径r、外半径R、主轴高度h0由飞轮系统的设计值得到；
第二步，利用ANSYS参数化设计语言建立飞轮转子的参数化有限元模型
2.1)根据第一步得到的飞轮几何模型，设置飞轮转子的材料属性以及选择单元类型；飞轮为二维轴对称模型，选择单元类型时采用高精度的二维8节点单元PLANE82，并设置单元属性为轴对称；
2.2)采用人工定义网格尺寸的方法对飞轮几何模型进行网格划分后，施加一个转速模拟旋转离心体力，给主轴中心线以及转子的下边界施加对称边界条件；定义求解以及添加后处理命令，需要定义输出模型的质量，结构的最大Mises应力以及绕主轴中心的转动惯量信息，创建命令流文件；
2.3)运行步骤2.2)得到的命令流文件，对飞轮结构进行有限元分析生成结果文件，创建参数化有限元模，并获得完整的命令流文件和结果文件；
所述的命令流文件包含完整的关于飞轮几何模型建立、材料属性定义、网格划分、载荷以及边界条件的施加、定义求解以及后处理的所有命令；
第三步，基于ISIGHT参数优化平台，对第二步创建的参数化有限元模型进行飞轮结构有限元分析，搭建优化模型
3.1)将命令流文件作为输入文件，并将各个控制点的坐标参数即高度hi作为设计变量；
3.2)通过定义批处理文件.bat调用软件ANSYS，实现对命令流文件的运行，得到结果文件，结果文件中包含需要定义输出模型的质量，结构的最大Mises应力以及绕主轴中心的转动惯量信息；将结果文件作为输出文件，将模型的质量、结构的最大Mises作为约束条件，将最大化转动惯量作为优化目标函数，得到优化模型；
第四步，利用ISIGHT优化算法，进行优化迭代计算搜寻优化模型的最优解
选用下山单纯形法，进行优化迭代计算，搜寻最优解，搜寻过程中只评价控制点的设计参数；优化迭代计算具体过程为：首先计算第一步给定的初始设计参数，判断是否满足约束条件：如果不满足，返回修改设计点参数，如果满足，继续计算；继续计算后判断目标函数是否增大：如果否，返回修改设计点参数；如果是，判断目标函数是否满足收敛条件，如果否，返回修改设计点参数，继续计算，如果是，输出设计点参数，即为最优解，得到优化后的飞轮转子。
2.采用权利要求1所述的结构设计方法得到的提高飞轮转子储能密度的装置，其特征在于，所述的装置包括上端板、非等厚转子、下端板和主轴，非等厚转子为优化后的飞轮转子；
所述的主轴和非等厚转子为一体或分体结构；当主轴和非等厚转子为分体结构时，非等厚转子通过过盈配合方式装配到主轴上；上端板和下端板为中空的环状板，内径与主轴外径相同，外径与非等厚转子外径相同；上端板和下端板在内径外侧和外径内侧布置多个螺纹通孔，上端板和下端板通过螺栓固定在非等厚转子上，上下端板固定后形成一个圆盘状整体结构，减小飞轮转子高速旋转时来自周围环境流体产生的阻力；螺纹通孔的个数根据实际需要确定；
所述的非等厚转子为轴对称结构，靠近中心位置的厚度大，延径向逐渐减小，靠近边缘的位置厚度增加，质量主要集中在轮缘位置；非等厚转子在与主轴相邻处加工一圈平台，平台上布置多个螺纹孔；非等厚转子边缘处加工一圈平台，平台上布置多个螺纹孔；螺纹孔与上端板和下端板上的螺纹通孔一一对应，螺纹孔的个数根据实际需要确定。
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