基于有限元法的储能飞轮转子裂纹扩展机理研究及高斯过程预测模型构建

本研究针对钢制飞轮储能转子在离心载荷下的裂纹萌生与扩展问题，通过高保真有限元模型和Gaussian Process Prediction Model (GPPM)预测，发现转子-轴连接处为应力集中区，径向裂纹呈现纯I型主导(>99.99%)，而切向裂纹存在混合模式行为。研究为高速旋转系统的结构监测提供了临界阈值和数字孪生部署依据。

　　

随着可再生能源的快速发展，飞轮储能系统(FESS)因其环保特性成为电网调频的关键技术。然而，钢制转子在高速旋转时产生的离心力会引发裂纹扩展，威胁系统安全。传统研究受限于二维模拟和简化假设，难以精确预测三维裂纹行为。

为解决这一难题，Aristotle T. Ubando团队在《Results in Engineering》发表研究，通过SOLIDWORKS和ANSYS构建了1/8对称转子模型，采用二阶四面体单元网格，结合Gaussian Process-based Space-Filling Design (GPM-SFD)采样策略，系统分析了裂纹扩展机理。

关键技术包括：1) 基于基准应力分布验证有限元模型；2) 采用GPM-SFD设计40组裂纹参数实验；3) 开发参数化回归模型和GPPM预测J积分；4) 通过应力强度因子(SIF)分解评估I/II/III型断裂模态。

【应力场分析与验证】
模型验证显示径向和环向应力曲线下面积误差<2%，T检验p=0.2575证实可靠性。最大von Mises应力(44.2 MPa)出现在转子-轴连接处，显著低于材料屈服强度(250 MPa)，验证了线性弹性断裂力学(LEFM)适用性。

【裂纹萌生预测】
GPPM模型训练集R2=1.0，测试集R2=0.936。最危险工况为20 mm径向裂纹在10000 rpm时产生684.84 J/m2能量释放率(ERR)，接近钢材临界值。参数敏感性分析显示转速(ω)贡献86.4%方差，裂纹深度(b)仅6.3%。

【裂纹扩展模态】
径向裂纹呈现纯I型断裂(>99.99%)，裂纹深度比a/b=1时生长方向由表面转向内部；切向裂纹则显示混合模式，II型占比1.2%，III型呈现反对称扭转变形。

该研究首次实现三维裂纹全模态分解，建立的GPPM模型为数字孪生系统提供实时预测工具。发现径向裂纹的纯I型特性简化了检测标准，而切向裂纹的混合模式行为提示需多传感器监测策略。研究结果为FESS安全设计规范修订和状态监测算法开发提供了理论依据，推动飞轮储能向更高转速和能量密度发展。