复合材料螺栓紧固件的设计及制备工艺研究

发布时间：2017-10-19 01:01

  本文关键词：复合材料螺栓紧固件的设计及制备工艺研究

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【摘要】：随着制备技术的发展和成本的降低,碳纤维的用途越来越广泛,航空航天工业对于高强度的复合材料螺纹紧固件有着强烈的需求。这种轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳的复合材料螺纹紧固件能应用于许多行业,研究碳纤维复合材料螺栓的成型技术是非常有必要的。通过模压成型工艺制备复合材料螺栓,除了能加强其力学性能,更能提高制品的光洁度和螺纹的尺寸精度,使其更加广泛地应用于各种结构连接之中。通过对TDE85环氧树脂、SE300氰酸酯树脂、WIN1126聚氨酯树脂三种树脂体系进行一系列测试,确定了模压料的材料体系。接触角测试的结果表明,三种树脂体系都能与T700、T800、T1000碳纤维良好地浸润。树脂粘度的测试结果显示SE300氰酸酯树脂体系在100℃时的粘度仅为5m Pa·s,远远小于其余二者,这表明三种树脂体系中SE300氰酸酯树脂体系在模压时的流动性会最好,有着更好的充模能力。热重-差热分析表明,SE300树脂体系的Tg和Td较其余两种树脂更高,分别为296℃、326℃,故其上限工作温度最高。对浇铸体力学性能的测试表明,SE300氰酸酯树脂体系的拉伸模量最高,TDE85环氧树脂体系弯曲模量最高。综合考虑树脂体系的浸润能力、耐热性、力学性能和工艺性,最终优选出SE300氰酸酯树脂体系作为模压料的树脂基体。使用ANSYS软件,建立了合理的复合材料螺纹紧固件有限元模型,并对其进行了拉伸、剪切及扭转等工况下的仿真分析,给出了应力、应变及位移分布规律,各项仿真结果均满足应变设计要求。以Auto CAD为平台设计了具有一个垂直分型面和一个水平分型面的CFRP螺栓压模。对缠绕线型进行了设计,采用螺旋缠绕的方法制备了碳纤维/氰酸酯树脂模压料,缠绕角为45°。通过模压成型制得了力学性能良好的CFRP螺栓,其中成型温度为220℃,保压压力为200MPa。所得制品螺杆与螺牙纤维含量分别为55%、35%。对其进行了力学性能测试,螺栓的拉伸强度达到了330.55MPa,但试件的破坏形式均为螺纹拉脱破坏,说明成型的螺纹强度还有提高的空间;螺栓的剪切强度达到704.56MPa,表明其具有优异的抗剪切性能。
【关键词】：碳纤维 螺栓 氰酸酯树脂 模压成型 有限元 性能表征
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V229.1;TB33
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题背景及研究目的和意义10-11
• 1.1.1 课题背景10-11
• 1.1.2 课题研究目的与意义11
• 1.2 国内外研究现状11-20
• 1.2.1 国外研究现状11-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.2.3 CFRP模压成型概述16-18
• 1.2.4 国内外研究现状简析18-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-22
• 第2章 试验材料与测试方法22-30
• 2.1 试验材料与主要设备22
• 2.1.1 试验原材料22
• 2.1.2 主要设备22
• 2.2 材料分析测试方法22-30
• 2.2.1 动态接触角测试22-23
• 2.2.2 粘度测试23-24
• 2.2.3 固化度测试24
• 2.2.4 热重-差热分析24-25
• 2.2.5 树脂力学性能测试25-28
• 2.2.6 复合材料力学性能测试28
• 2.2.7 有限元分析计算28
• 2.2.8 复合材料螺栓拉伸试验28-29
• 2.2.9 复合材料螺栓剪切试验29-30
• 第3章 材料体系的优选30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 碳纤维与树脂体系浸润性研究30-34
• 3.2.1 动态接触角测试原理31
• 3.2.2 动态接触角的测试31-34
• 3.3 树脂粘度研究34-35
• 3.4 树脂固化度研究35-36
• 3.5 树脂耐热特性研究36-38
• 3.6 树脂浇铸体力学性能的表征38-41
• 3.6.1 拉伸性能39-40
• 3.6.2 弯曲性能40-41
• 3.7 复合材料制备及力学性能研究41-43
• 3.7.1 复合材料单向板的制备41-42
• 3.7.2 复合材料力学性能测试42-43
• 3.8 本章小结43-45
• 第4章 CFRP螺栓的有限元分析45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 CFRP螺栓有限元模型的建立45-47
• 4.2.1 铺层设计与性能参数45-46
• 4.2.2 单元及模型的建立46-47
• 4.3 CFRP螺栓有限元模型的计算分析47-53
• 4.3.1 螺杆拉伸仿真分析47-48
• 4.3.2 螺纹拉伸仿真分析48-50
• 4.3.3 剪切仿真分析50-51
• 4.3.4 扭转仿真分析51-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第5章 CFRP螺栓的模压制备工艺研究55-70
• 5.1 引言55
• 5.2 压模的设计55-58
• 5.2.1 压模设计分类55-56
• 5.2.2 压模的总体设计方案56-57
• 5.2.3 施压方向及分型面的设计57-58
• 5.2.4 成型零件的设计58
• 5.3 模压料的制备58-63
• 5.3.1 XMC模压料概述58-59
• 5.3.2 缠绕线型分析59
• 5.3.3 缠绕线型设计59-63
• 5.3.4 模压料的成型63
• 5.4 螺栓的模压成型63-66
• 5.4.1 压制前的准备63-64
• 5.4.2 成型工艺的确定及螺栓的压制64-66
• 5.5 复合材料螺栓力学性能试验66-68
• 5.5.1 复合材料螺栓拉伸试验66-67
• 5.5.2 复合材料螺栓剪切试验67-68
• 5.6 本章小结68-70
• 结论70-72
• 参考文献72-78
• 致谢78

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