碳纖維纏繞飛輪轉子失效形式與原因

大張力纏繞複合材料飛輪轉子結構設計和工藝引數最佳化是工藝可行性的前提，透過最佳化轉子材料、結構引數以及成型工藝來提高飛輪儲能系統的儲能密度的前提是保證飛輪轉子能夠安全執行（沒有發生失效）。飛輪轉子的工作轉速極高，其安全性、可靠性非常重要。根據相關文獻研究結果和科研機構報道，高速複合材料飛輪儲能系統的實際工作轉速、使用壽命與理論計算結果存在較大差距，其主要原因是飛輪轉子成型過程中自身存在損傷和缺陷。

複合材料飛輪轉子主要失效形式有三種：

1、纖維斷裂：複合材料飛輪轉子在高速旋轉時，複合材料輪緣環嚮應力大於纖維層的最大抗拉強度，部分纖維的斷裂導致輪緣內部產生缺陷。由於樹脂基體的強度遠小於複合材料強度，纖維斷裂產生的小裂紋會在輪緣內部快速擴散形成大裂紋，最終導致飛輪轉子整體破壞。纖維（玻璃纖維、碳纖維）增強複合材料沿纖維方向強度較大，飛輪轉子極少出現纖維斷裂這類破壞形式。

2、輪轂失效：複合材料飛輪轉子過盈裝配或大張力纏繞成型技術均會使輪轂和轉軸產生預壓應力，當過盈量過大或纏繞張力過大導致輪轂等效應力超過屈服應力時，輪轂發生失效。此外，高速旋轉時，飛輪轉子軸向兩端的環嚮應力過大易導致鋁合金輪轂發生塑型變形，致使飛輪轉子失效。改善材料效能或最佳化輪轂結構能避免發生輪轂失效。

3、輪緣和輪轂分離或輪緣分層：這種失效方式是飛輪轉子失效的主要形式。當離心載荷大於飛輪轉子預壓應力時，輪轂和複合材料輪緣容易發生分離。此外，複合材料輪緣徑向強度較低，在徑向應力的作用下，樹脂基體發生屈服開裂、纖維與基體樹脂脫粘或纖維斷裂導致飛輪轉子複合材料輪緣發生分層破壞。

基於以上分析，本文采用以下強度準則：

（1）鋁合金輪轂和合金鋼轉軸：各向同性材料在外載荷作用下產生顯著的塑性變形後發生失效（塑性屈服），通常採用形狀改變能密度理論（第四強度理論）來判斷材料是否失效。材料受到外載荷後，其形狀和體積均發生變化，同時該材料內部累積一定的應變能。應變能密度（單位體積內累積的應變能）包括體積改變產生的應變能密度和形狀改變產生的應變能密度。該理論認為畸變能密度是導致材料發生塑性屈服的主要原因，不管材料受到何種載荷作用，只要該材料的畸變能密度達到畸變能極限值後材料便發生屈服。

（2）複合材料輪緣：樹脂基複合材料不同於各向同性材料，單向纖維增強複合材料為正交各向異性材料。這類正交各向異性材料的強度是應力方向的函式，而各向同性材料的強度卻與應力方向無關。對於環向纏繞纖維複合材料，其最大作用應力並不一定是材料的最危險狀態，因此，與材料方向無關的最大值應力並不是材料失效的最重要因素。