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试述传动轴碳纤维复合材料传动轴制备

收藏本文 2024-02-26 点赞:18990 浏览:83205 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:随着复合材料原材料生产技术以及成型技术的成熟、成本不断降低,复合材料在民用工业中的运用正获得愈来愈大的进展,21世纪将是复合材料时代。飞机,轮船、汽车、水泵和冷却塔等传动轴多为金属材料制备,有很多优点,但也有着质量重、拆装不方便、加工困难、制造周期长、生产效率低、疲劳性能差、抗阻尼性差等缺点。现今工业一直在寻找减轻材料本身重量并且增加其有效载荷的策略,而应运而生的高性能新型树脂基复合材料正可以满足这种需求。由此,高强度、高模量(硬度)的树脂复合材料传动轴正在传动轴的运用中扮演着越来越重要的角色。本论文针对军用舰艇探讨单位参照国外碳纤维传动轴的指标所提出的合同要求(见下表所列),进行了探讨设计的全盘计算,对于设计案例用Ansys有限元进行了模拟验证;并对复合工艺进行了一系列探讨,对实际的缠绕件的各项性能进行了测试,测试结果表明与设计要求吻合。圆满完成了合同任务。同时,本论文还对该单位提出的增补要求:该传动轴的弹性连接件(金属—碳纤维法兰)的结构,进行了全套设计。对该连接件的受力状态进行了有限元计算,并对带有法兰的完整复合材料传动轴进行了模态浅析,及刚度和强度,以及临界速度的全面校核。本论文探讨内容主要包括以下几个方面:(1)以设计要求、市场进展和性价比考虑,对复合材料的原材料进行了选择:选定增强纤维为碳纤维T700S-12K、特种热固性环氧树脂系统;制备了T700S/环氧复合材料的单向板,根据国标测定复合材料的策略,测定了复合材料多层单向板的基本性能。(2)运用经典层合板论述,编制了相应的Malab计算程序,对单板、正负反对称铺层层合板的刚度进行了浅析:依据复合材料的强度论述,结合传动轴扭转的特定受力状态,对极限强度的计算策略进行了修正,提出用层一半破坏的强度作为极限强度,探讨了正负反对称层合板的强度随铺层角变化的联系曲线。(3)根据复合材料杨氏模量的可设计性,讨论探讨了复合材料传动轴临界速度与工程常数,传动轴厚度,直径之间的联系,讨论探讨了屈曲失稳强度与轴向杨氏模量,周向杨氏模量和厚度的联系;根据设计要求,设计了相应的铺层,并制备了试样对论述计算进行了验证;根据论述计算和实验验证,最终确定了传动轴的设计参数。(4)根据复合材料连接的方式和特点,选择了机械连接的方式,设计了机械连接孔及加强部位各参数;选择了法兰材料,通过计算设计了法兰尺寸:(5)对带有法兰的完整复合材料传动轴进行刚度和强度,以及临界速度的校核。(6)借助Ansys有限元软件,分别对复合材料传动轴的力学、模态进行了有限元的计算:对金属法兰的受力状态进行了有限元计算,并对带有法兰的完整复合材料传动轴进行了模态浅析。最终的测试结果表明:碳纤维复合材料传动轴的各项机械性能均优于传统金属传动轴的性能,其剪切强度超过300MPa,可以很好地达到并且超过合同所要求的技术指标。关键词:碳纤维论文复合材料论文传动轴论文设计论文制备论文Ansys论文Matlab论文

    摘要5-8

    ABSTRACT8-12

    目录12-15

    第一章 绪论 二十一世纪——复合材料时代15-31

    1.1 引言 复合材料进展回顾及近况15-17

    1.2 复合材料的优异性能及进展走势17-19

    1.2.1 复合材料的优异性能17

    1.2.2 复合材料的进展走势17-19

    1.3 纤维增强复合材料在航空航天、船舶、汽车工业中的运用19-21

    1.3.1 复合材料在航空航天中的运用19-20

    1.3.2 复合材料在船舶工业中的运用20-21

    1.3.3 复合材料在汽车工业中的运用21

    1.4 碳纤维复合材料轴的优异性能、运用、探讨进展及背景21-27

    1.4.1 碳纤维复合材料传动轴的优异性能22-24

    1.4.2 碳纤维复合材料轴的运用及探讨进展24-26

    1.4.3 课题探讨背景及作用26-27

    1.5 本论文的探讨内容27-31

    第二章 复合材料单向板的基本性能31-45

    2.1 原材料的选择31-36

    2.1.1 单层板基本性能数据的论述推算31-33

    2.1.2 纤维增强相的选择33-34

    2.1.3 树脂基体的选择及性能34-36

    2.1.4 单层板基本性能数据的论述计算值36

    2.2 试验策略及测试手段36-41

    2.2.1 热失重36-37

    2.2.2 单向板拉伸性能试验37

    2.2.3 单向板压缩性能试验37-38

    2.2.4 定向纤维增强塑料纵横剪切试验38-39

    2.2.5 单向纤维增强塑料弯曲性能和层间剪切试验39-40

    2.2.6 纤维缠绕增强塑料环形试样拉伸及剪切试验40-41

    2.3 复合材料单向板基本性能的确定41-45

    2.3.1 复合材料的含胶量41-42

    2.3.2 复合材料单向板性能42-45

    第三章 复合材料结构设计基础45-63

    3.1 单向复合材料的刚度45-46

    3.1.1 单向复合材料的正轴刚度45

    3.1.2 单向复合材料的偏轴刚度45-46

    3.1.3 单向板的基本性能数据46

    3.2 复合材料层合板的刚度和工程常数46-53

    3.2.1 复合材料层合板的面内刚度46-48

    3.2.2 复合材料层合板的弯曲刚度48-50

    3.2.3 复合材料层合板的工程常数50-51

    3.2.4 ±θ反对称层合板随铺层角变化的性能51-53

    3.3 层合板的强度准则及极限强度53-63

    3.3.1 复合材料的强度准则53-56

    3.3.2 层合板的强度56-60

    3.3.3 ±θ反对称层合板强度随铺层角的变化60-63

    第四章 基于MATLAB的碳纤维复合材料传动轴的设计及校核63-81

    4.1 引言63

    4.2 复合材料传动轴的设计要求63-64

    4.3 复合材料传动轴轴身段设计64-78

    4.3.1 传动轴的临界转速64-67

    4.3.2 传动轴的屈曲强度67-69

    4.3.3 复合材料传动轴铺层设计69-71

    4.3.4 层合板的刚度和扭转极限强度71-74

    4.3.5 层合结构的极限强度和许用强度74-76

    4.3.6 复合材料传动轴的厚度计算76-77

    4.3.7 传动轴参数确定77-78

    4.4 轴身段校核78-81

    4.4.1 强度校核78-79

    4.4.2 屈曲校核79-81

    第五章 连接部位及法兰设计81-95

    5.1 连接部位设计原则81-90

    5.1.1 连接策略及选择81-82

    5.1.2 破坏方式及影响机械接头强度的因素82-83

    5.1.3 连接接头几何参数设计原则83-85

    5.1.4 传动轴连接部位的设计85-90

    5.2 法兰的设计及计算90-95

    5.2.1 材料选择90

    5.2.2 法兰的力学计算及外观设计90-93

    5.2.3 法兰设计图93-95

    第六章 基于ANSYS的碳纤维复合材料传动轴设计及校核95-123

    6.1 引言95-96

    6.1.1 ANSYS介绍95-96

    6.1.2 ANSYS软件求解历程96

    6.2 ANSYS单元模型的介绍96-99

    6.2.1 SOLID45单元模型96-97

    6.2.2 SOLID46单元模型97-99

    6.2.3 SHELL99单元模型99

    6.3 复合材料传动轴轴身应力的有限元计算99-109

    6.3.1 前置处理—模型的建立99-102

    6.3.2 计算结果与讨论102-109

    6.4 法兰的有限元计算及优化设计109-116

    6.4.1 前置处理—模型的建立109-111

    6.4.2 计算结果与讨论111-116

    6.5 复合材料传动轴的模态浅析116-123

    6.5.1 前置处理—模型的建立116-119

    6.5.2 计算结果与讨论119-123

    第七章 碳纤维复合材料传动轴的成型工艺及性能123-135

    7.1 湿法长纤维缠绕成型工艺123-127

    7.1.1 缠绕策略123-126

    7.1.2 缠绕设备126-127

    7.2 碳/环氧复合材料成型工艺的选择及制备历程127-129

    7.2.1 碳/环氧复合材料的制备历程127-128

    7.2.2 胶液温度128

    7.2.3 缠绕张力128-129

    7.2.4 固化工艺129

    7.3 碳纤维复合材料传动轴结构件力学性能试验129-133

    7.3.1 试验案例、历程与破坏形态129-132

    7.3.2 试验结果浅析132-133

    7.4 缠绕制品成型常出现缺陷的理由及解决策略133-135

    第八章 结论和展望135-137

    攻读学位期间发表的学术论文137-139

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