碳纤维复合材料轴的设计及弯扭性能分析开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

传动轴是许多机械结构中的一个重要零件，它的作用是在支承其它转动件回转的同时, 传递转矩动力。用于动力传输的传动轴广泛用于众多领域，如车辆、船舶、航空航天、冷却塔风机等。传动轴零件端部往往受到径向载荷、轴向载荷、弯矩及扭矩的共同作用，其设计安全性和合理性直接影响到整个机械系统的性能^[1,2]。

目前，传动轴主要由金属制作而成，但是效果并不理想。如对于汽车传动轴，由于金属比模量、比刚度较低、一段式金属传动轴共振频率极低，金属传动轴一般采用二段式设计，这就使得传动轴的加工、布置、安装和调试变得繁琐。增加的万向节与传动轴支架等连接部件，大大增加了传动轴总成的质量，亦会对传动轴总成振动性能产生影响^[3]。相对于金属而言，碳纤维复合材料具有比重小、比强度和比模量高、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等特点^[4,5]。使用碳纤维增强复合材料代替原金属材料制备一段式汽车传动轴，可在大幅减轻总体结构自重的同时，减少噪声，降低传动系统能量损失，提高抗振性能，改善转动轴的振动固有频率以及最低临界转速^[6,7]。

当然，碳纤维复合传动轴也有其缺点^[8]，那就是碳纤维复合材料的剪切模量低，虽然通过铺层设计可提高剪切模量以满足传动轴扭转刚度的要求，但另一方面会降低其弯曲刚度，导致其固有频率的降低，从而达不到临界转速要求。目前关于碳纤维复合传动轴的设计方法仅能保证扭转强度的要求，没有一种系统的方法从理论上快速解决传动轴的设计问题。对于碳纤维复合材料传动轴的分析与设计，人们做了许多研究。蔡光胜等^[9]针对某直升机传动轴的强度和临界转速要求，设计了一种碳纤维复合材料直升机传动轴。采用abaqus对碳纤维传动轴薄弱环节胶层进行内聚力有限元仿真，仿真结果证实胶层设计合理，并对碳纤维复合材料直升机传动轴的固有频率进行了仿真分析和实验分析，实验结果与理论分析相吻合，且与仿真结果的误差较小。吉礼超等^[10]从原材料选择、铺层结构对水下装备用碳纤维复合材料传动轴进行了设计，采用层合理论和有限元相结合的方法对传动轴的扭转屈曲、扭转载荷及临界转速进行了分析，并根据设计的铺层方案制作了模拟样件，最后对模拟样件进行了扭转试验。结果表明:设计的铺层方案可以满足传动轴的设计指标要求。lin等^[11]提出了一种3d 4向编织复合结构传动轴的设计方法，建立了纤维体积分数为50％，编织角为45°的正交各向异性管状模型，以预测3d编织复合传动轴的抗扭强度，抗扭刚度和振动模式，并给出了最佳的驱动轴尺寸，实现了60.18％的重量减轻。牟小燕^[12]运用有限元软件ansys模拟复合材料在不同铺层方案下的失效模式，研究了铺层角度、厚度以及顺序对碳纤维复合材料失效模式的影响规律，结果表明：在铺层角度为60°- 70°之间出现应力最小值,其失效可能性比较低；随着铺层厚度增加, 传动轴的失效模式无明显影响；铺层顺序不同, 轴类零件的失效模型有区别, 在复合材料底层的铺层角度为45°时, 比其他方案层间应力较小, 从而使得传动轴的寿命更高。

2. 研究的基本内容与方案

2.1、基本内容

1、对不同结构参数的碳纤维复合材料轴的弯曲受力进行模拟仿真分析，分析铺层角度、铺层顺序、壁厚/宽度比等参数对复合材料空心轴弯曲性能的影响,分析试件弯曲的失效形式。

2、对不同结构参数的碳纤维复合材料轴的扭矩性能进行模拟仿真分析，研究铺层角度、铺层顺序、壁厚/宽度比等参数对复合材料空心轴扭转性能的影响，分析试件扭转的失效形式。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4-7周：结构计算和模拟仿真分析复合材料轴的弯曲性能，分析构件弯曲失效形式；

第8-10周：结构计算和模拟仿真分析复合材料轴的扭转性能，分析构件扭转失效形式；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王丹勇,陈以蔚,李树虎,秦贞明,贾华敏,马开宝.纤维增强复合材料传动轴应用及设计技术研究[j].工程塑料应用,2012,40(02):92-96.

[2] a.r.abu talib,aidy ali,mohamed a. badie,et al.developing a hybrid, carbon/glass fiber-reinforced, epoxy composite automotive drive shaft[j].materials and design,2010, 31(1):514-521.

[3] 张欢.碳纤维复合材料在汽车传动轴的应用技术[j].纤维复合材料,2019,36(01):43-46.