Analysis of fiber reinforced filament wound rotors

Abstract

In dieser Arbeit wird das mechanische Verhalten von gewickelten faserverstärkten Rotoren analysiert, welche in Schwungradspeichern verwendet werden. Diese Art der Speicherung von elektrischer Energie ist eine ökologisch und ökonomisch nachhaltige Technologie für die dezentrale Energiespeicherung mit langen Lebenszyklen ohne Leistungseinbußen durch zu hohe Entladungstiefe und einem Minimum an System-Wartung. Die Hauptkomponente eines Schwungradspeichers ist der schnell drehende Rotor, bei dem die große Herausforderung in der Maximierung der Energiedichte besteht, welche von den verwendeten Materialien, der Geometrie des Rotors und dem Entwurf abhängt. Der komplexe Aufbau dieser Rotoren erfordert einen rechnergestützten Entwurfsprozess einschließlich der Kenntnis der Materialparameter. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Identifikation der Materialparameter, welche für die weiteren Finite-Elemente (FE) Simulationen benötigt werden. Dafür müssen die elastischen Materialparameter und die Festigkeiten bestimmt werden. Der Messaufwand für faserverstärkte Materialien, vor allem für kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), ist wesentlich höher im Vergleich zu isotropen Materialien, weil durch das orthotrope Materialverhalten deutliche Unterschiede quer zur Faserrichtung auftreten. Die Auswahl geeigneter Materialien für den entworfenen Rotor des Schwungradspeichers erfolgt mit Hilfe einer neu entwickelten zerstörungsfreien Methode, bei der die elastischen Materialparameter durch Modalanalyse von faserverstärkten Platten bestimmt werden. Nach der Auswahl und der Definition von wiederholbaren Prozessparametern für die Herstellung werden zerstörende Prüfungen, basierend auf Normen, an hochfestem und hochsteifem CFK Material durchgeführt. Zur Gewährleistung aller Sicherheitsaspekte befasst sich der zweite Teil der Arbeit mit einem statischen Berstversuch für Rotoren von Schwungradspeichern. Das präsentierte statische Testverfahren für eine kontrollierte Initiierung des Berstens von faserverstärkten Rotoren zeigt nahezu die gleiche Spannungsverteilung wie im dynamischen Fall bei hoher Drehzahl. Das Versagen wird dabei mit unterschiedlichen Maximal- Spannungskriterien und einem Sicherheitsfaktor bestimmt. Die Ergebnisse der statischen FE-Simulation des statischen Berstversuchs stimmen gut mit den quasi-statischen FESimulationsergebnissen des Rotors überein. Weiterhin wird gezeigt, dass das vorgestellte Verfahren eine sehr gut steuerbare und beobachtbare Möglichkeit ist, um einen schnell drehenden Rotor statisch zu testen. Dadurch ist es möglich, einen sehr viel teureren und gefährlicheren dynamischen Berstversuch mit möglichen Unsicherheiten zu ersetzen. Schließlich werden die Methoden und Erkenntnisse aus den zerstörenden Prüfungen und dem Berstversuch an einem neuartigen Rotorentwurf angewandt. Dieser Entwurf besteht aus einer CFK-Hohlwelle, verpresst in einer Multi-Ring CFK Schwungmasse, bestehend aus drei verpressten Ringen, die einen H-förmigen Rotorquerschnitt bilden. Mit dieser Konfiguration lässt sich die Energiedichte im Vergleich zu einem Rotorentwurf, bestehend aus einer Aluminium Welle, verpresst in einer dickwandigen CFK Schwungmasse, erhöhen. Darauffolgend werden Messungen zur Validierung der FE-Simulationen des Rotors und zur Bestimmung der Charakteristik des Schwungradspeicher-Prototyps durchgeführt.

In this thesis, the mechanical behavior of fiber reinforced filament wound rotors is analyzed that are used for flywheel energy storage systems (FESS). This type of storing electricity is an ecologically and economically sustainable technology for decentralized energy storage with long life cycles without performance degradation depending on depth of discharge and a minimum of systematic maintenance. The main component of a FESS is the high speed rotor, where the major challenge is the maximization of the energy density which depends on the used materials, the geometry of the rotor and the design concept. The complex construction of such rotors requires a computer-aided design process including the knowledge of the material parameters. The first part of the thesis deals with the material parameter identification used for the ongoing finite element (FE) simulations. Therefore, the elastic and strength material parameters are evaluated. The measurement effort for fiber reinforced materials, especially carbon fiber reinforced plastics (CFRP), is therefore sufficiently higher compared to isotropic materials due to the orthotropic material behavior that differs significantly transverse to the fiber direction. The materials, suitable for the designed FESS rotor, are selected using a new developed nondestructive method, based on modal analysis, to determine the elastic material parameters of fiber reinforced plates. After selection and defining repeatable process parameters for manufacturing, destructive measurements according to standards are performed on high strength and high modulus CFRP materials. To ensure all safety aspects, the second part of the thesis is dedicated to a flywheel static burst test (FSBT). The presented static test method used for a controlled initiation of a burst event for composite flywheel rotors shows nearly the same stress distribution as in the dynamic case, rotating with maximum speed. Therefore, failure prediction is done using different maximum stress criteria and a safety factor. The static FE simulation results of the FSBT compare well to the quasi-static FE simulation results of the flywheel rotor. Furthermore, it is demonstrated that the presented method is a very good controllable and observable possibility to test a high speed FESS rotor in a static way. Thereby, a much more expensive and dangerous dynamic spin up test with possible uncertainties can be substituted. Finally, the methods and knowledge from the destructive tests and FSBT are applied to a new FESS rotor design. This design consists of a CFRP hollow shaft that is pressfitted into a multi-ring CFRP inertia mass where the three rings are also press-fitted together forming a rotor with a H-shaped cross-section. With this configuration an increase of the energy density can be achieved compared to an ordinary FESS rotor design using an aluminium shaft press-fitted into a thick wound CFRP inertia mass. Furthermore, measurements are performed on the FESS rotor as well as the built FESS test rig to validate the FE simulations and to measure the FESS characteristics.