碳纤维复合材料传动轴的制备

发布时间：2020-05-11 16:40

【摘要】：随着复合材料原材料生产技术以及成型技术的成熟、成本不断降低，复合材料在民用工业中的应用正获得愈来愈大的发展，21世纪将是复合材料时代。飞机，轮船、汽车、水泵和冷却塔等传动轴多为金属材料制备，有很多优点，但也存在质量重、拆装不方便、加工困难、制造周期长、生产效率低、疲劳性能差、抗阻尼性差等缺点。现今工业一直在寻找减轻材料本身重量并且增加其有效载荷的方法，而应运而生的高性能新型树脂基复合材料正可以满足这种需求。因此，高强度、高模量(硬度)的树脂复合材料传动轴正在传动轴的应用中扮演着越来越重要的角色。本文针对军用舰艇研究单位参照国外碳纤维传动轴的指标所提出的合同要求(见下表所列)，进行了研究设计的全盘计算，对于设计方案用Ansys有限元进行了模拟验证；并对复合工艺进行了一系列研究，对实际的缠绕件的各项性能进行了测试，测试结果表明与设计要求吻合。圆满完成了合同任务。同时，本论文还对该单位提出的增补要求：该传动轴的弹性连接件(金属—碳纤维法兰)的结构，进行了全套设计。对该连接件的受力状态进行了有限元计算，并对带有法兰的完整复合材料传动轴进行了模态分析，及刚度和强度，以及临界速度的全面校核。本文研究内容主要包括以下几个方面： (1)从设计要求、市场发展和性价比考虑，对复合材料的原材料进行了选择：选定增强纤维为碳纤维T700S-12K、特种热固性环氧树脂体系；制备了T700S／环氧复合材料的单向板，根据国标测定复合材料的方法，测定了复合材料多层单向板的基本性能。 (2)运用经典层合板理论，编制了相应的Malab计算程序，对单板、正负反对称铺层层合板的刚度进行了分析：依据复合材料的强度理论，结合传动轴扭转的特定受力状态，对极限强度的计算方法进行了修正，提出用层一半破坏的强度作为极限强度，研究了正负反对称层合板的强度随铺层角变化的关系曲线。 (3)根据复合材料杨氏模量的可设计性，讨论研究了复合材料传动轴临界速度与工程常数，传动轴厚度，直径之间的关系，讨论研究了屈曲失稳强度与轴向杨氏模量，周向杨氏模量和厚度的关系；根据设计要求，设计了相应的铺层，并制备了试样对理论计算进行了验证；根据理论计算和实验验证，最终确定了传动轴的设计参数。 (4)根据复合材料连接的方式和特点，选择了机械连接的方式，设计了机械连接孔及加强部位各参数；选择了法兰材料，通过计算设计了法兰尺寸： (5)对带有法兰的完整复合材料传动轴进行刚度和强度，以及临界速度的校核。 (6)借助Ansys有限元软件，分别对复合材料传动轴的力学、模态进行了有限元的计算：对金属法兰的受力状态进行了有限元计算，并对带有法兰的完整复合材料传动轴进行了模态分析。最终的测试结果表明：碳纤维复合材料传动轴的各项机械性能均优于传统金属传动轴的性能，其剪切强度超过300MPa，可以很好地达到并且超过合同所要求的技术指标。
【图文】：

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显得日益重要。而在重工业应川方面，像水泵轴和冷却塔驱动轴同样遇到振动，临界速度和可靠性等问题。碳纤维复合传动轴同样可以在更低维护和维修成本上解决这些问题和提高效率。图1一2所示为一带有金属法兰的碳纤维复合材料传动轴，使川机械连接的方法连接轴身和法兰。图，一2带有金属法兰的碳纤维复合材料传动轴4.1碳纤维复合材料传动轴的优异性能传动轴材料的发展经历了木质材料向金属材料、金属材料向高分子材料以及由高分子材料向无机材料和复合材料的推进过程。金属材料有许多优点，如刚度好、屈服强度高等，但是也有很多缺点，如质量重、拆装不方便、加工困难、制造周期长、生产效率低、疲劳性能差、抗阻尼性差等。现今工业一直在寻找减轻材料本身重量并且增加其有效载荷的方法，这样，高强度、高模量(硬度)的树脂复合材料传动轴扮演着越来越重要的角色。碳纤维复合材料传动轴有以下主要优点〔’8〕:明显地减轻了传动轴的重量。和坚硬的钢质轴相比较，碳纤维轴的重量明显地减轻了约70%，这其中包括复合管端部必要的金属部件，其实仅碳纤维管本身的重量本身就很轻。一般可以归纳为:轴越长，，减重的量越大

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图1一5高弹性复合材料传动轴连接发动机和喷水器图，一6汽车传动轴针对不同的应用轴系，各学者和公司都进行了针对性的研究，H.zinberg等〔州对碳纤维复合材料轴的可行性进行了探讨，比较全面的讨论复合材料传动轴的设计，包括铺层设计、重量优化设计、临界速度，临界扭转屈曲稳定性以及动力学测试等，提出了相应的设计计算公式;ShermanLin和ScottPoster〔‘9〕使用编织结构和盯M技术成型对BA609缠绕碳纤维轴进行了对比实验，发现在相当的尺寸规格下，编织碳纤维轴和缠绕碳纤维轴的性能相当，某些性能稍微比缠绕轴高，针对RTM成型时结构可成型性，设计了相应几伺结构法兰颈的法兰，进行了有限儿分析，对法兰连接进行了对比实验;CHANG等〔22〕对复合材料传动轴临界速度和厚度、质量的关系进行分析;GBelingatdi〔2习等则对玻纤和碳纤维的混杂复合材料进行了临界速度和厚度、长度关系的分析，考虑边界效应，运用有限元方法，分析优化了复合材料轴的连接;
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH133.2;TB332

【参考文献】