本文關(guān)鍵詞：復(fù)合材料傳動(dòng)軸鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)

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【摘要】：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗疲勞性能和減振性能好等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、醫(yī)學(xué)、體育、汽車(chē)制造業(yè)和建筑領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替金屬材料制備傳動(dòng)軸具有許多優(yōu)點(diǎn)。但是,由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性,各向同性材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)方法不再適用,需要一種新設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先,基于幾何變形分析給出受扭工況下復(fù)合材料薄壁軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和切應(yīng)變,推導(dǎo)出直角坐標(biāo)系下復(fù)合材料薄壁軸應(yīng)變的坐標(biāo)變換關(guān)系式。針對(duì)最常見(jiàn)的±45°鋪設(shè)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸,推導(dǎo)出各鋪層的纖維向應(yīng)力的解析公式�；谕瑯铀悸�,推導(dǎo)出多層任意鋪設(shè)角的復(fù)合材料軸在受扭工況下的纖維層的纖維縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力解析公式�；诮馕龉�,運(yùn)用蔡-吳強(qiáng)度準(zhǔn)則可計(jì)算各纖維層的強(qiáng)度比。以上理論研究為后續(xù)的鋪層厚度及其最佳鋪設(shè)角優(yōu)化奠定了重要基礎(chǔ)。其次,考慮到實(shí)際的復(fù)合材料扭轉(zhuǎn)軸具有一定厚度,利用復(fù)合材料殼體單元Shell99建立參數(shù)化有限元模型,對(duì)上述解析公式給出的纖維向應(yīng)力與強(qiáng)度比進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明:在壁厚很薄的情況下,解析公式與數(shù)值結(jié)果非常吻合。在工程中應(yīng)用的薄壁復(fù)合材料軸,本文解析公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差不大。最后,分別以鋪設(shè)角為±45°的碳纖維和玻璃纖維軸為例,以各鋪層的厚度配比為優(yōu)化變量,以承載扭矩最大化為目標(biāo)函數(shù),基于二分法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使復(fù)合材料薄壁軸的層厚配置更合理。以鋪層角度和各鋪層的厚度配比為優(yōu)化變量,以承載扭矩最大化為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終獲得最適宜的鋪設(shè)厚度和鋪設(shè)角度,達(dá)到承載扭矩最大化的目標(biāo)。研究表明:纖維縱向與橫向模量相對(duì)均衡的玻璃纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸鋪層優(yōu)化效果很好,經(jīng)優(yōu)化強(qiáng)度比提升一倍以上。相反,縱橫向模量差異很大的碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸鋪層強(qiáng)度則很難通過(guò)優(yōu)化提升。
【學(xué)位授予單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

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