【摘要】：隨著復合材料原材料生產(chǎn)技術以及成型技術的成熟、成本不斷降低，復合材料在民用工業(yè)中的應用正獲得愈來愈大的發(fā)展，21世紀將是復合材料時代。 飛機，輪船、汽車、水泵和冷卻塔等傳動軸多為金屬材料制備，有很多優(yōu)點，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。現(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，而應運而生的高性能新型樹脂基復合材料正可以滿足這種需求。因此，高強度、高模量(硬度)的樹脂復合材料傳動軸正在傳動軸的應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軸的指標所提出的合同要求(見下表所列)，進行了研究設計的全盤計算，對于設計方案用Ansys有限元進行了模擬驗證；并對復合工藝進行了一系列研究，對實際的纏繞件的各項性能進行了測試，測試結(jié)果表明與設計要求吻合。圓滿完成了合同任務。 同時，本論文還對該單位提出的增補要求：該傳動軸的彈性連接件(金屬—碳纖維法蘭)的結(jié)構(gòu)，進行了全套設計。對該連接件的受力狀態(tài)進行了有限元計算，并對帶有法蘭的完整復合材料傳動軸進行了模態(tài)分析，及剛度和強度，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方面： (1)從設計要求、市場發(fā)展和性價比考慮，對復合材料的原材料進行了選擇：選定增強纖維為碳纖維T700S-12K、特種熱固性環(huán)氧樹脂體系；制備了T700S／環(huán)氧復合材料的單向板，根據(jù)國標測定復合材料的方法，測定了復合材料多層單向板的基本性能。 (2)運用經(jīng)典層合板理論，編制了相應的Malab計算程序，對單板、正負反對稱鋪層層合板的剛度進行了分析：依據(jù)復合材料的強度理論，結(jié)合傳動軸扭轉(zhuǎn)的特定受力狀態(tài)，對極限強度的計算方法進行了修正，提出用層一半破壞的強度作為極限強度，研究了正負反對稱層合板的強度隨鋪層角變化的關系曲線。 (3)根據(jù)復合材料楊氏模量的可設計性，討論研究了復合材料傳動軸臨界速度與工程常數(shù)，傳動軸厚度，直徑之間的關系，討論研究了屈曲失穩(wěn)強度與軸向楊氏模量，周向楊氏模量和厚度的關系；根據(jù)設計要求，設計了相應的鋪層，并制備了試樣對理論計算進行了驗證；根據(jù)理論計算和實驗驗證，最終確定了傳動軸的設計參數(shù)。 (4)根據(jù)復合材料連接的方式和特點，選擇了機械連接的方式，設計了機械連接孔及加強部位各參數(shù)；選擇了法蘭材料，通過計算設計了法蘭尺寸： (5)對帶有法蘭的完整復合材料傳動軸進行剛度和強度，以及臨界速度的校核。 (6)借助Ansys有限元軟件，分別對復合材料傳動軸的力學、模態(tài)進行了有限元的計算：對金屬法蘭的受力狀態(tài)進行了有限元計算，并對帶有法蘭的完整復合材料傳動軸進行了模態(tài)分析。 最終的測試結(jié)果表明：碳纖維復合材料傳動軸的各項機械性能均優(yōu)于傳統(tǒng)金屬傳動軸的性能，其剪切強度超過300MPa，可以很好地達到并且超過合同所要求的技術指標。
【圖文】：

顯得日益重要。而在重工業(yè)應川方面，像水泵軸和冷卻塔驅(qū)動軸同樣遇到振動，臨界速度和可靠性等問題。碳纖維復合傳動軸同樣可以在更低維護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合材料傳動軸，使川機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合材料傳動軸4.1碳纖維復合材料傳動軸的優(yōu)異性能傳動軸材料的發(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材料和復合材料的推進過程。金屬材料有許多優(yōu)點，如剛度好、屈服強度高等，但是也有很多缺點，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，高強度、高模量(硬度)的樹脂復合材料傳動軸扮演著越來越重要的角色。碳纖維復合材料傳動軸有以下主要優(yōu)點〔’8〕:明顯地減輕了傳動軸的重量。和堅硬的鋼質(zhì)軸相比較，碳纖維軸的重量明顯地減輕了約70%，這其中包括復合管端部必要的金屬部件，其實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高彈性復合材料傳動軸連接發(fā)動機和噴水器圖，一6汽車傳動軸針對不同的應用軸系，各學者和公司都進行了針對性的研究，H.zinberg等〔州對碳纖維復合材料軸的可行性進行了探討，比較全面的討論復合材料傳動軸的設計，包括鋪層設計、重量優(yōu)化設計、臨界速度，臨界扭轉(zhuǎn)屈曲穩(wěn)定性以及動力學測試等，提出了相應的設計計算公式;ShermanLin和ScottPoster〔‘9〕使用編織結(jié)構(gòu)和盯M技術成型對BA609纏繞碳纖維軸進行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)在相當?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，某些性能稍微比纏繞軸高，針對RTM成型時結(jié)構(gòu)可成型性，設計了相應幾伺結(jié)構(gòu)法蘭頸的法蘭，進行了有限兒分析，對法蘭連接進行了對比實驗;CHANG等〔22〕對復合材料傳動軸臨界速度和厚度、質(zhì)量的關系進行分析;GBelingatdi〔2習等則對玻纖和碳纖維的混雜復合材料進行了臨界速度和厚度、長度關系的分析，考慮邊界效應，運用有限元方法，分析優(yōu)化了復合材料軸的連接;
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TH133.2;TB332

【參考文獻】

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本文編號：2658758