王 锐，常 红，陈慧珉

(太原科技大学应用科学学院，太原030024)

飞轮储能是一种高效、环保的新型储能方式，广泛应用于电力系统调峰、空间能源、汽车供能等领域。20世纪90年代以来，随着高强度纤维材料、低损耗磁轴承和电力电子学三方面高技术的发展，飞轮储能技术也随之迅速发展。为了提高飞轮的储能密度，多采用高比模量、高比强度的纤维增强复合材料来制备飞轮转子。与钢质飞轮相比，它具有储能密度高、重量轻、寿命长等方面的优势[1-4]。

纤维缠绕的复合材料飞轮转子是正交各向异性材料。虽然环向具有很高的强度，但其径向的强度(即单向复合材料的横向强度)往往很低，以IM6carbon/epoxy为例，纤维方向拉伸强度为3 500 MPa，横向的拉伸强度为56 MPa.因此总体强度受径向强度的制约，即按照环向强度条件得到的极限转速不能满足径向强度要求，造成飞轮转子在高速旋转时自身的损伤和断裂。因此提高飞轮转子的径向强度成为飞轮设计制造中的关键问题之一[5]。

对于匀速旋转的纤维束缠绕复合材料飞轮，其轴向厚度一般不大，应力状态接近平面应力状态，因此本文将其简化为平面问题处理。

1 基本方程

平衡方程[6]为:

其中:u为径向位移;为复合材料径向、环向弹性模量;νθr为泊松系数。方程(1)的通解[7](λ≠3)为:

应力分量为:

其中，C1、C2为常量。可见，应力分量与 λ有关。

以材料的环向与径向模量比λ作为参量，利用ANSYS有限元分析软件，对给定尺寸不同材料的单层及双层异构复合材料飞轮转子进行强度计算，得出飞轮转子在高速旋转时的径向和环向应力分布规律，进而利用强度比方程求解各种结构的强度比，分析材料参数对飞轮转子强度的影响。……