飞轮储能技术具有储能密度大、比功率大、充放电快、寿命长、无污染等特点,在众多储能技术中脱颖而出。为了提高飞轮的储能密度,需要提高飞轮的转速,但同时飞轮的离心应力增大,当离心应力增大到飞轮材料强度极限时,飞轮将发生破坏。碳纤维复合材料强度高,可以承受较大的离心应力,但碳纤维复合材料在纤维纵向(环向)具有高强度,而横向(径向)强度较低,所以飞轮的转速主要由纤维横向强度限制。复合材料飞轮转子的振动特性会影响飞轮储能系统运转的稳定性,应对复合材料飞轮转子做模态分析。因此碳纤维复合材料飞轮的径向强度和复合材料飞轮转子的模态是复合材料飞轮设计中两项重要研究内容。本文首先分析了储能飞轮对材料的要求,介绍了制造复合材料飞轮常用材料的性能。阐述了复合材料飞轮的制作工艺,如复合材料圆环的缠绕固化工艺,以及多环过盈装配工艺所包含的温差法和压入法,为制造复合材料飞轮提供了具有一定指导意义的工艺方法。建立了正交各向异性材料轴对称问题的理论模型,给出了受惯性力作用的正交各向异性圆盘的径向和环向应力分布规律。分析了过盈量与轮缘初应力的关系,并建立了轮毂与轮缘过盈装配时,过盈量与轮缘初应力的定量关系。提出了在多环过盈装配时,合理设计内层圆环和外层圆环过盈量使轮缘在高速旋转时的径向应力更加均匀。针对结构尺寸有限制的复合材料飞轮,建立了过盈量确定准则。利用ANSYS软件分析了相关算例,说明有限元法的可行性。通过分析张紧力缠绕模型,提出了配合多环过盈装配工艺的张紧力制度。针对实验室飞轮储能系统的储能要求,依据过盈量确定准则,设计了两环过盈装配碳纤维复合材料飞轮,利用有限元法验证设计的可靠性,该复合材料飞轮的工作转速为40Kr/min,储能密度提高4.26倍,储能量提高5.58倍。由于现有的模态分析软件不能计算过盈装配复合材料飞轮的模态,故只对多环复合材料飞轮转子的简化模型进行分析,结果与单层无明显差异,单层复合材料飞轮的模态结果对于设计多环飞轮有一定的指导意义。对设计的两环过盈装配碳纤维复合材料飞轮转子进行模态分析,知该飞轮可以在设计转速下稳定工作。