大学生方程车赛车碳纤维轴类零件设计及连接方法研究开题报告

全文总字数：4349字

1. 研究目的与意义（文献综述）

汽车轻量化已是汽车发展的必然趋势，其主要通过三个方面实现：1)结构优化设计；2)采用先进制造工艺；3)采用新型轻量化材料。汽车结构优化设计已经历一百多年的经验累积，通过结构优化进行减重的空间已十分有限。先进制造工艺包含液压成型、热成型、发泡铝成型、激光焊接等。新型轻量化材料包括高强钢、铝合金、镁合金以及高性能工程塑料和玻璃纤维、碳纤维复合材料等。根据英国材料系统实验室的研究结果，相对于其他新型材料，碳纤维复合材料的减重效果最显著。比较历年来成绩优异的大学生方程式赛车队，可以发现他们的赛车轻量化设计做的比较完善与成熟，且有大量碳纤维复合材料应用于其零部件上，主要包括碳纤维单体壳车身、碳纤维进气管、碳纤维空气动力学套件、碳纤维轮辋、碳纤维悬架、碳纤维转向轴、碳纤维传动轴等等。因此，研究并开发大学生方程式赛车碳纤维轴类零件可达到减轻重量，提升比赛成绩的目的。

随着fsae（formula society of automotive engineers）赛事的逐年举行，为了使赛车在比赛中能获得更加优异的表现和成绩，对fsae赛车的研究开发工作也在国内外相关高校中逐渐展开。国外高校由于赛事开始比较早，所以对于fsae赛车的研究也开始地较早。在很多发达国家，fsae赛事项目是理工类学校都很支持的学生实践创新类项目。美国海军学院martin mcdonald^[1]等人针对fsae赛车，论述了复合材料悬架a臂的载荷分析、设计、加工、实验流程。一些碳纤维轴类零件也最早是在国外大学生方程式大赛上出现，如德国赛（formula student germany,fsg）、日本赛（formula student japan, fsj），并且取得了非常好的成绩和反响，此后大面积推广应用。但是相关碳纤维轴类零件在手工加工时存在缺陷，稳定性是一个致命的问题，例如国外某车队在比赛中碳纤维悬架直接脱离，导致赛车失控撞墙。

近几年越来越多的国内车队出国参赛交流，学习借鉴了国外车队许多优秀的设计和理念，并融合转换、体现在自己的设计中。国内这一方面做的较好的是哈尔滨工业大学（威海）hrt车队，他们最早开始研究并制作出碳纤维单体壳车身、碳纤维悬架、碳纤维传动半轴。哈工大学者范学梅^[11]分析了碳纤维复合材料在赛车悬架上的应用，研究了碳纤维管与金属制件的连接方法与工艺。此后，国内车队在碳纤维方面的研究发展迅速，武汉理工大学学者徐峰祥^[3]发明了一种大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法，吉林大学、同济大学、湖南大学等学校的车队都不断地改进和突破，碳纤维悬架等轴类零件普及程度越来越高。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

分析大学生方程式赛车上相关轴类零件，如传动半轴、悬架导向杆、转向轴的受力及失效形式，从轻量化的角度出发，考虑碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics, cfrp)优异的力学性能和化学稳定性，如比强度和比模量高、耐腐蚀，替换其原有的金属材料，设计出适用的碳纤维复合材料轴类零件，其主要包括以下内容：

（1）碳纤维轴类零件的铺层设计；

3. 研究计划与安排

第1周：方案构思、文献检索、完成开题报告；

第2-3周：外文翻译、资料再收集；

第4-6周：设计计算、草图绘制，准备开题答辩；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] martin mcdonald, peter joyce,leonard hamilton. designing composite suspension arms for a formula sae vehicle[j].sae international, 10.4271/2011-01-1262.

[2] 范学梅. fsae赛车复合材料悬架的设计与研究[d].哈尔滨工业大学,2013.

[3] 徐峰祥,唐跃友,罗宇彤,袁金呈,邵建波. 大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法[p]. cn109571998a,2019-04-05.