飞轮储能系统作为一种新型储能方式,相比于其它储能方式,具有瞬时功率大、循环寿命长、储能密度大以及充放电速度快等优点。特别是随着高速电机技术、复合材料技术和磁悬浮技术的发展,为飞轮储能技术带来了更加广阔的研究空间和应用前景。本文主要对复合材料储能飞轮转子进行了以下研究:飞轮转子应力解析式推导;飞轮转子结构优化设计;飞轮转子有限元应力分析;飞轮转子模态分析。首先,对飞轮转子进行应力解析式推导。建立正交各向异性材料轴对称问题的理论模型,由此推导出一定转速下的单环复合材料轮缘的径向应力、环向应力以及径向位移的解析式,通过MATLAB软件绘出单环轮缘的应力和位移随径向位置以及转速变化的三维曲面图。对单环轮缘进行充放电过程应力解析式推导,得到与角加速度相关的剪应力解析式。以上解析式的推导能够帮助我们更好地理清各参数间的关系,并为后期飞轮转子的结构优化设计提供理论支持。其次,对飞轮转子进行结构优化设计及轴承支撑方案选择。对复合材料轮缘进行基于复合形法的结构优化,以储能密度函数为目标函数,以Tsai-Wu强度准则为约束条件,利用MATLAB软件对复合材料轮缘结构进行优化求解,得到轮缘内外半径值的最优解。利用ANSYS Workbench中的优化设计模块,对轮毂上的一些尺寸进行以改善轮毂受力为目的优化设计。根据飞轮储能系统的技术指标,对飞轮轴进行了结构设计和轴承支撑方案选择。然后,对飞轮转子进行有限元应力分析。首先通过ANSYS Workbench软件研究复合材料轮缘环数、每环径向厚度、环与环之间的过盈量以及预应力对飞轮转子应力的影响规律,然后利用得到的各因素对飞轮转子应力的影响规律,合理设计飞轮转子的结构模型。最后对设计出的飞轮转子结构模型进行静止状态以及转动状态下的应力分析,以验证所设计的飞轮转子结构是否符合设计要求。最后,对飞轮储能系统进行模态分析。通过ANSYS Workbench软件对飞轮转子进行模态分析,得到系统的固有频率和振型,根据分析结果可以有效预估系统的振动特性并验证飞轮系统在正常转速范围内的安全性。通过ANSYS Workbench软件分析径向轴承支撑跨距、电磁轴承刚度以及多环装配过盈量对飞轮转子固有频率的影响,得到各因素对固有频率的影响规律,为改善系统的振动特性提供支持。