【摘要】：隨著復(fù)合材料原材料生產(chǎn)技術(shù)以及成型技術(shù)的成熟、成本不斷降低，復(fù)合材料在民用工業(yè)中的應(yīng)用正獲得愈來愈大的發(fā)展，21世紀(jì)將是復(fù)合材料時(shí)代。 飛機(jī)，輪船、汽車、水泵和冷卻塔等傳動(dòng)軸多為金屬材料制備，有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在質(zhì)量重、拆裝不方便、加工困難、制造周期長、生產(chǎn)效率低、疲勞性能差、抗阻尼性差等缺點(diǎn)�，F(xiàn)今工業(yè)一直在尋找減輕材料本身重量并且增加其有效載荷的方法，而應(yīng)運(yùn)而生的高性能新型樹脂基復(fù)合材料正可以滿足這種需求。因此，高強(qiáng)度、高模量(硬度)的樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸正在傳動(dòng)軸的應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色。 本文針對軍用艦艇研究單位參照國外碳纖維傳動(dòng)軸的指標(biāo)所提出的合同要求(見下表所列)，進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)的全盤計(jì)算，對于設(shè)計(jì)方案用Ansys有限元進(jìn)行了模擬驗(yàn)證；并對復(fù)合工藝進(jìn)行了一系列研究，對實(shí)際的纏繞件的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明與設(shè)計(jì)要求吻合。圓滿完成了合同任務(wù)。 同時(shí)，本論文還對該單位提出的增補(bǔ)要求：該傳動(dòng)軸的彈性連接件(金屬—碳纖維法蘭)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了全套設(shè)計(jì)。對該連接件的受力狀態(tài)進(jìn)行了有限元計(jì)算，并對帶有法蘭的完整復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行了模態(tài)分析，及剛度和強(qiáng)度，以及臨界速度的全面校核。本文研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： (1)從設(shè)計(jì)要求、市場發(fā)展和性價(jià)比考慮，對復(fù)合材料的原材料進(jìn)行了選擇：選定增強(qiáng)纖維為碳纖維T700S-12K、特種熱固性環(huán)氧樹脂體系；制備了T700S／環(huán)氧復(fù)合材料的單向板，根據(jù)國標(biāo)測定復(fù)合材料的方法，測定了復(fù)合材料多層單向板的基本性能。 (2)運(yùn)用經(jīng)典層合板理論，編制了相應(yīng)的Malab計(jì)算程序，對單板、正負(fù)反對稱鋪層層合板的剛度進(jìn)行了分析：依據(jù)復(fù)合材料的強(qiáng)度理論，結(jié)合傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)的特定受力狀態(tài)，對極限強(qiáng)度的計(jì)算方法進(jìn)行了修正，提出用層一半破壞的強(qiáng)度作為極限強(qiáng)度，研究了正負(fù)反對稱層合板的強(qiáng)度隨鋪層角變化的關(guān)系曲線。 (3)根據(jù)復(fù)合材料楊氏模量的可設(shè)計(jì)性，討論研究了復(fù)合材料傳動(dòng)軸臨界速度與工程常數(shù)，傳動(dòng)軸厚度，直徑之間的關(guān)系，討論研究了屈曲失穩(wěn)強(qiáng)度與軸向楊氏模量，周向楊氏模量和厚度的關(guān)系；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的鋪層，并制備了試樣對理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證；根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)參數(shù)。 (4)根據(jù)復(fù)合材料連接的方式和特點(diǎn)，選擇了機(jī)械連接的方式，設(shè)計(jì)了機(jī)械連接孔及加強(qiáng)部位各參數(shù)；選擇了法蘭材料，通過計(jì)算設(shè)計(jì)了法蘭尺寸： (5)對帶有法蘭的完整復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行剛度和強(qiáng)度，以及臨界速度的校核。 (6)借助Ansys有限元軟件，分別對復(fù)合材料傳動(dòng)軸的力學(xué)、模態(tài)進(jìn)行了有限元的計(jì)算：對金屬法蘭的受力狀態(tài)進(jìn)行了有限元計(jì)算，并對帶有法蘭的完整復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行了模態(tài)分析。 最終的測試結(jié)果表明：碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的各項(xiàng)機(jī)械性能均優(yōu)于傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸的性能，其剪切強(qiáng)度超過300MPa，可以很好地達(dá)到并且超過合同所要求的技術(shù)指標(biāo)。
【圖文】：

顯得日益重要。而在重工業(yè)應(yīng)川方面，像水泵軸和冷卻塔驅(qū)動(dòng)軸同樣遇到振動(dòng)，臨界速度和可靠性等問題。碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸同樣可以在更低維護(hù)和維修成本上解決這些問題和提高效率。圖1一2所示為一帶有金屬法蘭的碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸，使川機(jī)械連接的方法連接軸身和法蘭。圖，一2帶有金屬法蘭的碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸4.1碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的優(yōu)異性能傳動(dòng)軸材料的發(fā)展經(jīng)歷了木質(zhì)材料向金屬材料、金屬材料向高分子材料以及由高分子材料向無機(jī)材料和復(fù)合材料的推進(jìn)過程。金屬材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如剛度好、屈服強(qiáng)度高等，但是也有很多缺點(diǎn)，如質(zhì)量重、拆裝不方便、加工困難、制造周期長、生產(chǎn)效率低、疲勞性能差、抗阻尼性差等�，F(xiàn)今工業(yè)一直在尋找減輕材料本身重量并且增加其有效載荷的方法，這樣，高強(qiáng)度、高模量(硬度)的樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸扮演著越來越重要的角色。碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸有以下主要優(yōu)點(diǎn)〔’8〕:明顯地減輕了傳動(dòng)軸的重量。和堅(jiān)硬的鋼質(zhì)軸相比較，碳纖維軸的重量明顯地減輕了約70%，這其中包括復(fù)合管端部必要的金屬部件，其實(shí)僅碳纖維管本身的重量本身就很輕。一般可以歸納為:軸越長，，減重的量越大

圖1一5高彈性復(fù)合材料傳動(dòng)軸連接發(fā)動(dòng)機(jī)和噴水器圖，一6汽車傳動(dòng)軸針對不同的應(yīng)用軸系，各學(xué)者和公司都進(jìn)行了針對性的研究，H.zinberg等〔州對碳纖維復(fù)合材料軸的可行性進(jìn)行了探討，比較全面的討論復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，包括鋪層設(shè)計(jì)、重量優(yōu)化設(shè)計(jì)、臨界速度，臨界扭轉(zhuǎn)屈曲穩(wěn)定性以及動(dòng)力學(xué)測試等，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式;ShermanLin和ScottPoster〔‘9〕使用編織結(jié)構(gòu)和盯M技術(shù)成型對BA609纏繞碳纖維軸進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相當(dāng)?shù)某叽缫?guī)格下，編織碳纖維軸和纏繞碳纖維軸的性能相當(dāng)，某些性能稍微比纏繞軸高，針對RTM成型時(shí)結(jié)構(gòu)可成型性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)幾伺結(jié)構(gòu)法蘭頸的法蘭，進(jìn)行了有限兒分析，對法蘭連接進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn);CHANG等〔22〕對復(fù)合材料傳動(dòng)軸臨界速度和厚度、質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行分析;GBelingatdi〔2習(xí)等則對玻纖和碳纖維的混雜復(fù)合材料進(jìn)行了臨界速度和厚度、長度關(guān)系的分析，考慮邊界效應(yīng)，運(yùn)用有限元方法，分析優(yōu)化了復(fù)合材料軸的連接;
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TH133.2;TB332

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2658758