能源问题是当今社会不可忽视的重大问题之一,除了不断开发新能源,还需要发展更为先进的储能技术。飞轮储能作为一种高效、方便的储能方式,已经在不同领域得到广泛的运用。近年来,利用碳纤维复合材料制备高速储能飞轮已成为主要研究趋势。而国内高速碳纤维复合材料轮体设计及制造技术目前仍未有所突破,在提高飞轮转速和储能密度突破方面仍有较大限制。本文以提高储能飞轮的储能密度为目标,系统地研究了复合材料高速储能飞轮的设计与制备技术,并取得了以下主要成果:(1)储能飞轮静力学模型常见的复合材料转子主要是纤维沿环向缠绕的单环转子或多环过盈配合的多环转子。针对这两种结构的碳纤维复合材料转子在高速旋转下的应力状态运用弹性力学进行解析分析,建立了储能飞轮转子的静力学模型。(2)飞轮转子的储能密度优化针对两种结构的碳纤维复合材料转子,在其静力学解析模型的基础上建立相对应的储能密度优化的数学模型。并通过ANSYS仿真分析出飞轮转子的几何外形及工艺参数对其应力状态的影响,从而总结出一般结构优化的流程,同时结合粒子群优化算法,最终通过MATLAB编程完成对复合材料转子进行储能密度优化,储能密度提高20%以上。(3)高速储能飞轮的有限元仿真以ANSYS Workbench有限元分析软件为平台对优化设计后的飞轮转子进行仿真校核,包括转子的静力学和动力学特性。静力学主要包含三步,模拟整个飞轮转子的装配过程,动力学分析主要针对转子的模态分析。仿真结果显示,优化后的飞轮转子的静力学、动力学性能均满足结构和设计要求。(4)复合材料高速储能飞轮的制备工艺根据碳纤维增强树脂基复合材料的基本特点及成型工艺,设计与完成了复合材料轮环的成型工艺流程,包括其原材料的选取、预浸料的制备、模具设计和缠绕成型工艺,以及复合材料轮环及金属轮毂的装配成型工艺。