（机械工程专业论文）碳纤维复合材料传动轴的设计研究.pdf

摘要 碳纤维复合材料传动轴不仅质量轻，具有很好的耐疲劳性和耐腐蚀性l 而 且噪声小、震动衰减性好、安全性好，特别适用于大型重载传动轴。碳纤维复 合材料传动轴根据结构形式可以分为整体型和装配型两类。整体型结构可以采 用短切纤维注塑成型或采用连续纤维编织固化成型：装配型即传动轴由两个以 上构件通过连接装配成一个整体。装配型传动轴由于其工艺简单，且力学性能 好被广泛使用。本文主要研究装配型碳纤维复合材料传动轴的设计。 装配型传动轴一般由金属构件和碳纤维管连接而成，金属构件和碳纤维管 的连接对装配型传动轴的性能至关重要，因此连接设计是本论文研究重点之一 本文分析了复合材料与金属常用的连接方式及特点，并对混合连接( 既有胶连 接又有机械连接) 的传动轴进行了设计计算。根据胶连接的经验公式和a n s y s 分析结果确定了胶连接的套合长度，并对胶的剪切强度进行了校核。机械连接 使用螺钉连接，对螺钉的直径、边距、间距，行距分别做了计算和校核，达到 了传动轴扭转强度的要求。 碳纤维管的设计是论文的另一个研究重点。碳纤维管的设计方法上与传统 金属轴不同，碳纤维管结构设计包含了材料设计，如组分材料和铺层方向等。碳 纤维管一般为薄壁圆管构件，也可以看作是一种层合板结构件，其铺层设计沿 用层合板的设计理论。传动轴工作时主要承受扭矩，所以碳纤维管要有足够的扭 转强度和扭转刚度。本文中碳纤维管的结构设计主要包括铺层角度、铺层顺序、 铺层厚度以及铺层比例的设计。文中采用有限元软件a n s y s 及t s a i w u 张量准 则分析了不同的铺层角度对轴的扭转强度和扭转刚度的影响。碳纤维复合材料 的成型工艺中，缠绕成型工艺效率高，可使制品最大限度的获得所要求的结构 性能，故本文碳纤维试件采用缠绕成型工艺加工。结合a n s y s 分析结果、缠绕 成型工艺的特点和连接部位对铺层比例的要求，最后确定了碳纤维管的结构参 数。 为了验证碳纤维复合材料传动轴设计方法的准确性，加工了试验件，并对 试验件进行了静扭转试验和扭转疲劳试验，试验结果与设计的碳纤维复合材料 传动轴的临界破坏扭矩基本吻合。 本文的研究成果对纤维增强型复合材料传动轴的设计有一定的参考价值。 关键词：碳纤维，传动轴，有限元分析 a b s t r a c t c a r b o nf i b e rr e i n f o r e e dp l a s t i c ( c f l 心) t r a n s m i s s i o ns h a f ti s h i g h e rs p e c i f i c s t i f f n e s sa n ds t r e n g t h s u p e r i o rf a t i g u ec h a r a c t e r i s t i c sa sw e l ia se x c e l l e n tc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo v e rm e t a l s ，c o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns h a f ta l s oo f f e r ss u p e r i o rv i b r a t i o n d a m p i n g ，l e s sn o i s e ，b e t t e rs a f e t y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fc f r pt r a n s m i s s i o ns h a f t h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e w h o l e n e s ss h a f ta n da s s e m b l i n gs h a f t a r et w ok i n d so f c f r pt r a n s m i s s i o ns h a f t sm a n u f a c t u r i n gm e t h o da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lf o r m s t h ew h o l e n e s sc a nb ep r o d u c o db yi l l j e c t i o nm o l d i n gw i n ls h o r tf i b e ro rw e a v e da n d c u r e dw i t hc o n t i n u o u sf i b e r t h et r a n s m i s s i o ns h a f to fa s s e m b l i n gt y p ei sa s s e m b l e d i n t oa ne n t i t yb yt w oo rm o r ec o m p o n e n t s p r o c e s sa n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i ti sw i d e l yu s e d d u et oi t ss i m p l em a k i n g t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri st h e a s s e m b l i n gc a r b o nf i b e rt r a n s m i s s i o ns h a f t a s s e m b l i n gt r a n s m i s s i o ns h a f ti sm a i n l yc o n s t i t u t e db ym e t a lc o m p o n e n t sa n d c a r b o nf i b e rt u b e t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc a r b o nf i b e ra n dm e t a lc o m p o n e n t si sa k e yt ot h i sa r t i c l e a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ff r e q u e n t l y - u s e d c o n n e c t i o nm e t h o do ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sa n dm e t a l ，m i x e dc o n n e c t i o nm e t h o d ( w i t hb o t hg l u ec o n n e c t i o na n dm e c h a n i c a lc o n n e c t i o n ) w a ss t u d i e dd u r i n g 也ed e s i g n o ft h et r a n s m i s s i o ns h a f t b a s e do nt h eg l u ec o n n e c t i o ne x p e r i e n c ef o r m u l aa n d a n s y sa n a l y s i sr e s u l t s t h eb e s tl e n g t ho fc o n n e c t i o n ，a n d 也es h e a rs t r e n g t ho fg l u e s c r e ww a su s e di nt h em e c h a n i c a lc o n n e c t i o n i t sd i a m e t e r , m a r g i n , i n t e r v a la n d l i n e w i d t he t e w e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l to fa l l 也e p a r a m e t e r sc o u l dr e a c ht h et o r s i o n a ls t r e n g t h d e s i g no f c a r b o nf i b e rt u b ei sa n o t h e rk e yt ot h i sp a p 瓯c ：a r b o nf i b e rt u b e i s d i f f e r e n tt ot r a d i t i o n a lm e t a li nd e s i g nm e t h o d s ，i tc o n t a i n sm a t e r i a ld e s i g ns u c ha s c o m p o n e n tm a t e r i a l s ，l a y e rd i r e c t i o n e t c 。c o m m o n l yc a r b o nf i b e rt u b ei s 也i n w a l l t u b ec o m p o n e n ta n dc a nb er e g a r d e da sak i n do fl a m i n a t e dh a r d e n e dc o m p o n e n t s ，s o t h el a m i n a t e dp l a t ed e s i g nt h e o r yi sa p p l i c a b l et oc a r b o nf i b e rt u b e 、e n t r a n s m i s s i o ns h a f ti sw o r k i n g i tm a i n l yb e a r st o r q u e s o 也ec a r b o nf i b e rt u b em u s t h a v es u m c i e n tt o r s i o n a ls t r e n g t ha n dt o r s i o n a lr i g i d i t y c a r b o nf i b e rt u b es t r u c t u r e d e s i g ni n c l u d e sf i b e r so r i e n t a t i o na n g l e s s t a c k i n gs e q u e n c e s ，l a y e r st h i c k n e s s e sa n d n u m b e ro fl a y e r s t h ef i b e r so r i e n t a t i o na n g l e s e f f e c tt o 也et o r s i o n a ls t r e n g t ha n d t o r s i o n a lr i g i d i t yi sa n a l y z e di nt h i sp a p e rb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa n d 1 渔a i 、 ，us t r e s sc r i t e r i o n c a r b o nf i b e rt u b ei sp r o d u c e db yf i l a m e n tw i n d i n gp r o c e s s ， b e c a u s ei th a sh i g he f f i c i e n c ya n dg e t st h er e q u i r e dp e r f o r m a n c ef o rt h ep r o d u c t si n t h em a x i m u mw a y c o m b i n e dw i t ha n s y sa n a l y s i sr e s u l t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i l a m e n tw i n d i n gp r o c e s sa n dt h ed e m a n do fn u m b e ro fl a y e r so nc o n n e c t i o np a r t s ，t h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc a r b o nf i b e rt u b ew e r eo b t a i n e d 。i n c l u d i n g 也ef i b e r s o r i e n t a t i o na n g l e s s t a c k i n gs e q u e n c e s ，l a y e r st h i c k n e s s e sa n dn u m b e ro fl a y e r s n i no r d e rt ov e r i f yt h ed e s i g nm e t h e do ft h ed r i v es h a f t , t e s tc o m p o n e n t sw c f e p r o d u c e d t h e ns t a t i ct o r s i o nt e s ta n d t o r s i o nf a t i g u et e s tw e r ed o n e t h et e s tr e s u l t s w e r eg e n e r a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ep r e d i c t i o no fc r i t i c a ld a m a g et o r q u e t h er e s u l to ft h i sp a p e rh a sr e f e r e n c ev a l u et oc f r pt r a n s m i s s i o ns h a f td e s i g n k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e r , t r a n s m i s s i o ns h a f t ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 碳纤维复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，a r 一是由碳纤维与其 它基体材料通过复合工艺组合而成的新型材料( 见图1 1 ) 。它除了保持原材料 的特点外，还具有单一的原材料不具备的性能。碳纤维复合材料与传统的金属 材料或塑料相比，有以下特点 i - 3 ： 图1 - 1 碳纤维 l 、比强度和比模量高。比强度和比模量即材料的强度和模量与其密度的比 值，比强度高有利于零件自重减小；比模量高有利于零件的刚性增大。比强度 和比模量高对于高速旋转或要求质量轻的构件很有意义，如大型重载传动轴。 2 、材料柔韧度好。树脂的流动性使其能够生产形状复杂的零部件，另外树 脂容易着色，可以生产出色彩鲜艳的产品。 一 3 、抗疲劳性能好。纤维与基体间界面的特性使疲劳裂纹不易扩展，从而提 高了抗疲劳性能。当拉伸强度相同时，碳纤维复合材料的疲劳强度是金属材料 的1 4 - - - , 2 倍。 4 、减震性能好。碳纤维复合材料零件与金属材料零件相比固有频率较高， 结构件不易发生共振破坏；另外，复合材料的组分材料之间的界面能够有效吸 收震动能量，提高了其震动阻尼特性，在碰撞过程中，碳纤维复合材料对能量 的吸收能力是钢或铝的5 - 6 倍【4 j ： 5 、破损安全性能好。复合材料中的纤维能够独立的承担外部载荷，少量纤 维发生断裂，载荷平均分布到其它纤维上，结构可以继续承受载荷。 6 、成型工艺性能好。碳纤维复合材料的材料与构件同时成型，可制作复杂 结构件，减少不必要的连接，从而减少接头数量，材料得到最大化利用，加工时 武汉理工大学硕士学位论文 间减少。 碳纤维复合材料的上述优势，使其广泛应用于各个领域，图1 - 2 所示为碳纤 维复合材料的应用实例。 图1 2 碳纤维复合材料应用实例 轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是传递运动、扭矩和支承回转 零件。根据受载形式，轴可以分为心轴、转轴和传动轴。心轴只承受弯矩，转 轴既承受弯矩又承受转矩，传动轴主要承受转矩。一般而言，传动轴对动平衡、 质量、。耐腐蚀和耐疲劳等性能的要求很高，对材料和加工工艺的要求也很高。 扭转强度和扭转疲劳寿命是传动轴最重要的两项性能指标。碳纤维复合材 料的纵向拉伸强度是横向拉伸强度的2 0 倍，纵向弹性模量是横向弹性模量的1 4 倍，合理的结构设计，能够将碳纤维复合材料传动轴的抗扭转强度最大化，同 时大幅度提高其扭转疲劳强度。 1 2 复合材料传动轴的国内外研究现状 碳纤维复合材料的优越性能，使其越来越受人们的关注。g k n d r i v e l i n e ( 吉 凯恩传动系统) 公司在1 9 8 8 年开始进行碳纤维复合材料传动轴的研究，1 9 9 2 年 推出了r e n a u l ts a f r a n eq u a d r a 的传动轴。 目前，国外很多汽车上已经开始使用碳纤维复合材料传动轴。碳纤维复合 材料汽车传动轴与金属传动轴相比降低了质量、简化了结构、减轻了振动，降 低了噪音。 除汽车外，在机床和船舶等机器上碳纤维复合材料传动轴也得到了应用。 图1 3 所示分别为汽车、机床和船舶上使用的碳纤维复合材料传动轴。碳纤维复 合材料传动轴质量轻，固有频率较高，转动惯量低，将其用在机床上不但可以 提高主轴旋转速度，也可大大降低主轴调换转动方向对机床的冲击，提高了机 床寿命和其加工零件的精度。碳纤维由于质量轻，可以减少中间支承，在船舶 上应用比较多。 武汉理工大学硕上学位论文 金属传动轴 c f r p 传动轴 图1 3 碳纤维复合材料传动轴实例 国外自2 0 世纪7 0 年代就开始了对碳纤维复合材料传动轴的研究。在碳纤 维复合材料传动轴的结构设计、成型工艺以及连接等方面做了不少工作。 m 么b a d i e 掣5 1 对环氧树脂基碳玻璃纤维复合材料传动轴进行了研究，纤维 铺设角减小，固有频率增加；纤维方向角为4 - 4 5 。的复合材料管材有较高的承载 能力和较高的扭转刚度；提高屈曲扭矩，必须通过确定纤维方向接近9 0 0 来提高 环向弹性模量；在提高扭转刚度方面，碳纤维比玻璃纤维的贡献大；不论是哪 种材料，含有铺设角度为4 - 4 5 0 纤维的层压制品经受突变失效，而9 0 0 或0 0 的堆叠 经受的是缓慢地失效。 y a k h a l i d 等1 6 1 对采用纤维缠绕技术制造的铝基混合复合材料传动轴进行 了弯曲疲劳分析，研究表明，裂纹首先出现在没有纤维的区域或者树脂的外表 面，并且，随着循环数的增加裂纹加剧，直到样品失效。对于纤维铺设角为4 - 4 5 0 的铝合金复合材料管材，增加铺层数可以使疲劳强度提高4 0 。 形圈嘴【7 j 研究了不同的纤维角度、长径比率、材料的性能以及金属层的厚 度对具有金属芯或金属外壳的圆形碳纤维增强塑料轴的弯曲固有频率的影响。 金属碳纤维增强塑料混合轴在最佳厚度时有最大的频率。 a r a b “t a l i b 等8 田1 研究了不同的缠绕角度、铺层层数和叠层顺序对传动轴固 有频率、抗弯强度及剪切强度的影响。改变缠绕角度、叠层顺序和铺层层数， 静态扭力在很大程度上受到影响，当缠绕角度为4 5 0 时有最大静扭力。 s am u t a s h e r 等 m 1 研究了铝基复合材料传动轴的静态扭矩和动力传输能力。 缠绕角度为4 5 0 时的静态和动态的最大转矩比缠绕角度为9 0 0 时的要高些：静态扭 矩与动态扭矩之间的百分比大约是7 1 5 。 h a k s u n g k i m ，d a ig i l l e e t 1 设计了一种由铝合金和碳环氧复合材料组成的 整体式混合传动轴，使用有很多小齿的钢圈，采用压合连接方法将铝合金构件 武汉理工大学硕士学位论文 连接到混合轴上，从而增加可靠性和降低制造成本，与传统的二件式钢传动轴相 比，整体式汽车混合铝合金复合材料传动轴的质量减少5 0 。 e l l y i n 、胁胞心屹】试验研究了多向缠绕复合材料结构的力学特性，其力学 性能不仅和载荷有关，还与复合材料的铺层参数有关系。复合材料的铺层参数 主要包括铺层角度、铺层的顺序和铺层厚度。 s o d e n 等 1 3 】试验研究了缠绕角对缠绕制品的性能影响。缠绕角影响复合材料 的应力应变行为，缠绕角越小，复合材料缠绕制品的应力- 应变行为越明显：复 合材料缠绕制品的轴向压缩性能与缠绕角有关；增大缠绕角，可以减小周向速 度、增加轴向拉伸强度。 国内的学者对复合材料传动轴的轴体结构设计、静力学特性，动力学特性 等方面做了研究【l 6 】，并得到了一系列的结论：单向铺层方向接近0 0 、4 5 0 及9 0 0 ， 结构件的抗扭强度较高，且抗扭强度随着结构件壁厚的增加而增大；增加4 0 0 - 7 0 0 的铺层可以提高构件的扭转刚度；对称铺层比与非对称铺层更有利于零件承受 扭矩；复合材料传动轴比钢、铝合金传动轴运动稳定性好，且主共振的振幅小。 中国航空动力机械研究所制造的碳纤与玻纤混合的复合材料传动轴，圆满通过 台架试验与装机考核，成功解决了金属传动轴带来的共振问题。 2 、连接设计 连接是复合材料不可逃避的一个关键问题，国内外许多学者和单位在碳纤 维轴与法兰的连接问题上一直做着不懈的努力，通过不同的连接方法实现了扭 转、拉、压载荷的平稳传递，推动复合材料作为传动轴主体结构材料在更广领 域的应用1 1 7 讲j 。 目前，连接方式除了最常用的胶连接、机械连接、混合连接，在此基础上又 发展了许多连接方式。h e l m u tf e d e r m a n n 等设计了销钉式连接( 见图1 4 ) ； y a s u n o r in o n o g a k i 等设计了齿纹式连接( 见图1 5 ) ；洪厚全等设计了钉型连接 ( 见图1 - 6 ) ，钉型连接比网纹连接强度提高4 0 1 ，比普通连接提高2 2 0 5 ： 郑劲东等针对缠绕成型工艺设计螺栓连接；瑞士学者c h r i s t o p h 等设计了多边形 连接( 见图1 - 7 ) 。 4 武汉理工大学硕r 上学位论文 。 图1 - 5 传动轴连接示意图 jh 薹二二= 二 二：二二煎f 褥 图1 4 传动轴连接部位连接示意图 鬻 强 黼l蒸 0 ： 苴 ： 葬疆2 l j j 融l 轻b 擞 赫拄l 戤礤 囊 ： 蒸l鼷 尊 蒋 = = = 图1 - 6 钉型连接 图1 7 多边形连接 碳纤维复合材料传动轴在设计方面还存在一些问题。结构设计方面，碳纤 维管的设计沿用的是层合板的设计理论，而层合板的设计理论中研究的载荷为 力和弯矩，所以对于承受扭矩的碳纤维管设计时要首先将扭矩转化为力。碳纤 维复合材料的承扭性能与铺层角度和铺层顺序有关，故其抗扭截面系数不能采 用各向同性材料的计算公式求出，因此，用理论方法求解碳纤维管的剪切力较 困难。连接方面，由于连接强度与铺层顺序、铺层角度、使用环境等多个因素 有关，目前胶接接头尺寸的确定基本上是凭经验估算或是参照有关图表取值。 武汉理工大学硕士学位论文 国内外一直做着积极的努力和探索，希望能够寻求胶接尺寸精确的计算和分析 方法。 1 3 研究意义、目的和内容 l 、意义和目的 本课题主要针对碳纤维复合材料传动轴的设计进行研究。传动轴的设计制 造与其质量和使用寿命息息相关，尤其连接问题是非常关键的环节之一。 金属传动轴质量重且易磨损，磨损后又会引起传动噪音和能量损失，缩短 使用寿命。碳纤维复合材料质量轻、强度大，满足结构件性能要求时相当钢材 可减重7 0 8 0 ，而强度增大数倍。因此，选用碳纤维复合材料来生产传动 轴具有重要意义。 国外碳纤维复合材料传动轴研究已经很深入，在汽车和轮船上都已经有了 一定范围的应用，而国内碳纤维复合材料的市场主要为航空航天及国防领域和 体育用品，碳纤维复合材料传动轴的研究与国外相比还比较落后，在碳纤维复 合材料传动轴的结构设计、加工工艺以及连接等方面还存在一定的问题。因此， 研究碳纤维复合材料传动轴具有十分重要的意义。 本文研究的目的是设计出性能、质量和使用寿命等都能够满足要求的传动 轴，且其加工工艺简单，易于实现。 2 、本文的研究内容和技术路线 ( 1 ) 主要研究内容 本文主要研究碳纤维管的结构设计以及其与金属法兰盘的连接设计。碳纤 维管结构设计参数主要包括碳纤维的缠绕角度，铺层顺序、铺层厚度和各层占 总层数的比例。合理的结构设计能用较少的碳纤维达到传动轴需要的性能指标， 降低生产成本。连接问题主要包括金属部件与碳纤维管的套合长度、胶层厚度、 螺钉尺寸及其安装参数，被胶接表面的处理方法等，碳纤维轴的连接要可靠。 ( 2 ) 技术路线 本文采用理论、试验相结合的方法，根据复合材料连接处对铺层的要求以 及缠绕成型工艺的特点，对碳纤维管进行结构设计。采用有限元软件刎峪坯对 碳纤维管的强度和刚度进行校核及改进。连接设计主要根据经验公式、理论分 析以及有限元仿真确定各种尺寸及参数。当结构和连接方案确定以后，制造试 验件，进行试验，验证设计方法的正确性。技术路线如图1 - 9 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 拟解决的关键问题 图1 9 技术路线图 碳纤维复合材料传动轴由碳纤维管和法兰组成，所以关键问题有两个： 1 、碳纤维管的结构设计与校核，使其达到强度、刚度以及扭转疲劳等性能 要求。 2 、碳纤维管与法兰的的连接设计与校核，连接要有足够的强度和耐疲劳性 能。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章碳纤维复合材料传动轴的设计基础 复合材料是用两种及以上组分按一定方式组合而成的材料，它的许多性能 都优于单组分材料。复合材料在材料的设计理论、成型工艺以及力学性能等方 面，与金属材料有显著的差别。碳纤维复合材料是复合材料中性能最优异的材 料之一。按基体材料的不同，碳纤维复合材料可分为树脂基复合材料、金属基 复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料。本文主要研究树脂基碳纤维复合 材料，其设计采用经典复合材料层合板理论【2 5 1 。 2 1 碳纤维复合材料力学性能 碳纤维复合材料的力学性能具有各向异性、非均质性和层间剪切力低三个特 点。 1 、各向异性性能 复合材料一般由按照一定规律铺设的单层层合而成。单层复合材料的工程常 数一般有九个，四个表征其刚度性能，五个表征其强度性能。 纵向弹性模量、横向弹性模量、纵向泊松比( 或横向泊松比) 和面内剪切弹 性模量为单层复合材料的刚度性能指标。此外，当加载方向与材料弹性主方向不 一致时，会产生一系列的耦合现象，它们是各向同性材料不具备的特殊性能。 单层复合材料强度指标，也称为基本强度，它们分别是纵向拉伸强度、横向 拉伸强度、纵向压缩强度、横向压缩强度和面内剪切强度。复合材料强度指标的 增加，使其各种应力状态下的强度更难判定，强度设计理论也更复杂。 2 、非均质性 纤维增强复合材料是由两种及以上材料组成的，因此是非均质的。对于层合 板，各个单层可以按照不同方向铺设，所以多向层合板也是非均质的。由于这种 非均质性，对层合结构的弹性和强度分析必须建立在分析各个单层的弹性与强度 的基础上。 3 、层间强度低 一般情况下，纤维增强复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度低于基体的 剪切强度和拉伸强度。在层间应力作用下易引起层合板分层破坏，严重影响复合 材料在某些结构上的使用。因此，在结构设计时，应尽量减少层间应力，或采取 武汉理工大学硕士学位论文 措施避免层间分层破坏。 2 2 层合板设计一般原则 层合板的设计主要包括铺层角度、铺层厚度、铺层比例和铺层顺序。铺层 角度是指轴向与材料主方向的夹角，铺层比例是指每个角度铺层占铺层总数百 分比，铺层顺序是指各种铺层角度的组合方式。 层合板铺层设计的一般原则如下： l 、铺层定向原则 铺层角的种类应尽量少。在实际应用中0 0 、士4 5 0 和9 0 0 四种铺层角度应用最 多。 2 、按载荷选择铺层取向原则 纤维方向尽量与外载荷方向保持一致，如图2 l 所示。 i lllll i 阅匡l 豳 l t 丁丌t l lllllll 匪日蓁萋匡| i il ii i i 图2 1 按载荷设计铺层方向 3 、均衡对称铺设原则 复合材料具有耦合变形现象，若结构为非对称均衡铺设，固化后会产生耦 合变形，而对称铺设不会产生耦合变形。 4 、铺层最小比例原则 为了防止基体受力，减小湿热应力，使连接处材料的泊松比更协调、减少 由连接产生的应力，对于方向为0 。、士4 5 。和9 0 。的铺层，铺层比例一般都要大于 1 0 。 5 、变厚度设计原则 为了避免厚度突变引起的应力集中，变厚度铺层设计时铺层数应按台阶数 逐渐变化。各层台阶差要相等且宽度不小于2 5 r a m 。结构表层采用连续铺层避免 台阶处分层破坏。 9 武汉理工大学硕士学位论文 6 、连接处的设计原则 若采用机械连接，与钉受力方向相同的铺层要占总铺层的3 0 以上，以满 足挤压强度的要求；与钉受力方向成4 5 。的铺层要占总铺层的4 0 以上，这样可 以增加剪切强度，也利于扩散载荷、减少孔的应力集中。 7 、冲击载荷处的设计原则 冲广一 击i 载r 荷l 一 均 布 平 均 力 图2 2 冲击载荷区铺层设计 层合板中承受冲击载荷的部位应该有足够的纤维铺设，并且要有足够的4 5 0 的铺层来扩散载荷，足够的0 0 铺层来承受局部冲击载荷，如图2 - 2 所示。对于经 常受到面外冲击的复合材料结构，其表面的纤维铺层应该均匀分布在各个方向， 相邻两层的夹角要小。 2 3 成型工艺 成型工艺包含两个方面：一是成型， 品的形状：固化是将成型的材料，在温度、 预期的性能要求的产品。 2 3 1 碳纤维复合材料的成型工艺 二是固化。成型是将预浸料铺置成产 时间和压力等因素影响下固化并达到 本文采用环氧树脂( 凹) 碾纤维( c 一进行碳纤维复合材料传动轴的设计。 树脂基碳纤维复合材料常用的成型工艺有手糊成型、树脂传递成型、真空袋压 法成型、树脂膜熔浸成型、预浸料成型、拉挤成型和纤维缠绕成型等【2 啦引。 l 、手糊成型 首先在模具上涂刷树脂混合物，再依次铺贴剪裁好的纤维织物，每一层都 要压挤，使浸胶均匀并排除气泡。然后固化成型，脱模。复合材料制品实例见 i o 武汉理工大学硕士学位论文 图：2 - 3 。该工艺的优点是可室温成型，设备简单，可生产大型产品；缺点是制品质 量不稳定，树脂不利于人的健康。 图2 3 手糊成型图2 _ 4 真空袋压法成型 2 、树脂传递成型 将纤维铺放在模具中，注射树脂，固化即得到产品。工艺优点是制品中纤维 含量较高，成型周期较短，生产成本较低；缺点是不易制作较小制品，模具较笨 重和复杂。 3 、真空袋压法成型 用真空袋覆盖做好的铺层与模具，密封周边，抽真空，使铺层被压实、成型( 见 图2 - 4 ) 。工艺优点是制品中纤维含量高，树脂可较好地浸渍纤维；缺点是成本 较高，对操作人员要求高，生产效率不高。 4 、树脂膜熔浸成型 在模具内交替铺放纤维与树脂片，用真空袋包覆铺层，并抽真空，加热使树 脂熔化并浸渍纤维，然后固化脱模。工艺优点是产品密实，纤维含量精确，铺层清 洁，不损害人体健康，且生产成本低：缺点是对模具的要求很高。 5 、预浸料成型 将浸渍树脂的纤维铺于模具表面，抽真空后放入热压罐中成型。工艺优点 是可精确的控制各种成份的比例；缺点是生产成本较高、制品尺寸受限制。 6 、拉挤成型 成型工艺过程见图2 5 ，工艺优点是制造速度快。材料的利用率高，树脂含 量可精确控制，由于纤维呈纵向，型材轴向结构特性非常好；缺点是生产设备投 资较大，产品横截面恒定。 武汉理工大学硕士学位论文 ? 蒌鋈耠茎切割制品 树腊槽飞吖 图2 5 拉挤成型示意图 7 、纤维缠绕成型 缠绕成型是将连续纤维浸树脂胶后按照预定角度缠绕到芯模上，然后固化， 得到成品。工艺优点是缠绕成形工艺效率高，可使制品最大限度地获得所要求 的结构性能。缠绕成形纤维含量可达到8 0 ，高于其它成形工艺，复合材料制 品鲍强度主要由纤维承担，纤维含量高j 制品的结构强度就高：缺点是只能用 于回转类构件的生产，且构件没有凹面；缠绕成型工艺不能缠绕出0 。角铺层。 2 3 2 碳纤维复合材料传动轴的成型工艺 传动轴工作时主要承受扭矩。碳纤维复合材料最大的优点之一就是具有很 高的抗拉强度。传动轴要承受大的转矩，首先要保证纤维的连续性。手糊成型 工艺，采用碳纤维布进行生产，碳纤维布要根据要求裁剪为各种尺寸和形状， 这样单层及各层的纤维都成了单独的个体，不具有连续性，会大大降低碳纤维 管的承扭性能。碳纤维管为闭合管，不适合采用树脂传递成型、真空袋压法成 型、树脂膜熔浸成型、预浸料成型、低温固化预浸料成型等成型工艺，若采用 这些工艺加工会提高加工成本，且由于纤维的不连续，管的扭转强度和扭转刚 度不是很高。拉挤成形实现了纤维的连续性，但是不能实现纤维角度的任意变 化，且加工设备费用很高。缠绕成型工艺易实现等强结构、可整体成型、操作 简单便捷，是传动轴制造首选的成型工艺。因此，本文选用缠绕成型工艺进行 碳纤维管的加工 缠绕成型工艺流程图如图2 _ 6 所示，缠绕成型中，缠绕厚度、缠绕角度以及 缠绕角度的顺序等对碳纤维管的性能都有较大的影响。缠绕成型工艺还可以根 据树脂基体和缠绕规律进行分类。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 缠绕成型工艺流程图 l 、根据树脂基体分类 缠绕成型工艺根据树脂基体浸渍纤维的方式分成干法、半干法、湿法三类， 湿法缠绕成型工艺应用最广。 ( 1 ) 干法缠绕 干法缠绕成型是预先将浸渍树脂的连续纤维缠绕在卷机上，在缠绕机土加 热至粘流状态后缠绕到芯模上的成型工艺。采用于法缠绕的产品结构稳定，缠 绕张力均匀，工艺过程易控制，容易实现自动化、机械化。但干法缠绕设备复 杂，投资较大。 ( 2 ) 湿法缠绕 湿法缠绕成型是将浸过树脂的连续纤维直接缠绕到芯模上的成型工艺。湿 法缠绕成型的设备简单，对原材料的要求不高。但是缠绕过程中缠绕张力不容 易控制，纱带的质量不易检验，固化过程中容易产生气泡。 ( 3 ) 半干法缠绕 半干法缠绕成型工艺是将浸渍树脂的无捻粗纱，迅速烘干后缠绕到芯模上 的成型工艺。半干法缠绕成型与干法缠绕成型相比减少了胶纱的烘干时间，与 湿法缠绕成型相比增加了烘干工艺。 2 、根据缠绕规律分类 缠绕成型工艺根据缠绕规律的不同分成三类：纵向缠绕、环向缠绕和螺旋 缠绕。 ( 1 ) 纵向缠绕法 纵向缠绕又称为平面缠绕。纵向缠绕时芯模绕轴线慢速旋转，导丝头在固 定平面内做匀速圆周运动，导丝头转动一周，芯模的转角是一个纱片的宽度。 ( 2 ) 环向缠绕法 环向缠绕时导丝头在与芯模轴线平行的方向慢速移动，芯模绕轴线作匀速 武汉理工大学硕士学位论文 运动。芯模自转一周，导丝头移动一个纱片宽度。 ( 3 ) 螺旋缠绕法 螺旋缠绕即测地线缠绕。导丝头在平行芯模轴线的方向反复匀速运动，芯 模绕轴线匀速转动。 缠绕成型工艺的应用十分广泛，尤其是压力容器和管材等回转体结构方面 的应用更多，图2 7 所示为缠绕制品。 图2 7 缠绕成型制品 2 4 碳纤维复合材料的力学分析 单层复合材料的受力分析是对复合材料层合板进行力学分析的基础。因此， 单层板的刚度、强度是层合板刚度、强度性能分析的基础。由于单层复合材料 厚度方向的尺寸与其它尺寸相比很小，所以讨论单层板复合材料的力学性能时， 一般看作是平面应力状态，即不考虑厚度方向上的正应力和剪切应力。 对单层进行力学分析时需要假设各个单层以及各个组分是均匀的、连续的、 各向异性的材料，材料为线弹性材料且变形很小【2 啦引j 。 2 4 1 单层复合材料的刚度分析 i 、单层复合材料正轴应力应变关系 单层复合材料由于其厚度方向上的尺寸远小于其它两个方向上的尺寸，讨 论单层板复合材料的力学性能时，一般设定为平面应力状态，如图2 8 所示。单 层的正轴刚度指的是单层在正轴方向上显示的刚度性能。 1 4 墓坚望三奎堂堡主堂垡鲨塞 一 _，。_-_-_l_-_。一一 对于各向异性材料的单层板，表达其刚度性能的参数是工程弹性常数，它 们分别是纵向弹性模量e l 、横向弹性模量e 2 、纵向泊松比i 1 , 1 2 、横向泊松比l 、 面内剪切弹性模量g 1 z 。单层的正轴应力应变关系： 腓豢羔i i o t ： ( 2 1 ) 式中s o 称为柔度系数： s l i - 玄，$ 2 2 = 玄，= 瓦1 s n = - 正a 2 _ _ ，上1 - 一等s 1 2 鼢 式中，j 2 是纤维方向应力o l 单独作用引起的横向变形系数，1 2 l 是纤维横衄0 2 单独作用引起的纵向变形系数。将上式求逆，得到由应变求应力的公式： 雌孝蚓 位3 ) 式中q u 称为退缩刚度系数： q i 。篁而e 蕊i ，如= j 1 - p t i l 2 a 2 t ，瓯譬g 1 2( 2 4 ) 驴羔= 兰嘞 2 、单层复合材料偏轴应力应变关系 或 2 ov ，l 眺三戳i 刚三兰剐到 式中，m = c o s o ，万= s i n o 刚一三刀三赢 砒三二酬纠 式中，m = c o s o , 刀= s i n o 标系下的应力应变关系： 粥 1 6 0 2 o l ( 2 5 ) ( 2 6 ) 或 雌爱戮 q 尥民0 占，l q 6 6l i l 式中s y m 表示对称的意思，瓦 ( 2 7 ) 是变换柔度系数，一q 是变换刚度系数，其中： m 4 刀4 2 m 2 以2 朋2 1 , 1 2 1 刀n嘻4z，z：4刃2惶4m2n一24m刀悖2：n刀2n2 ：陋： m 2 行2 胁2 ， 4 + 一4 一朋2 稽2iis 4 聊2 刀2 4 朋2 刀2 8 所2 刀2 ( m 2 - n 2 ) 28 墨2 2 m 3 订- 2 m n 3 2 ( m n 3 一所3 万) m n 3 _ m 3 nl 【 2 m n 3 一锄3 刀2 ( 朋3 露一m n 3 ) 聊3 刀一册露3i 朋4 n 4 朋2 刀2 m 2 e 1 2 m 3 刀 m n 3 刀4 2 m 2 刀2 4 m 2 n 2 m 4 2 m 2 刀2 4 朋2 刀2 r a 2 疗2 m 4 + 刀4 4 m 2 刀2 m 2 厅2 - 2 m 2 刀2 ( 聊2 一n 2 ) 2 - - m r t 3 朋刀3 一r a 3 刀 2 ( r a n 3 一m 3 n ) 一m 3 玎m 3 n - m r 3 2 ( m 3 以一m 靠3 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，肌= c o s o , n ：s i no 。 由式( 2 7 ) 可以知道当单层分别只有吱，o y ，嘶作用时，由于i 。6 和i 拍不为零， 均会产生剪应变r 科或正应变e x 和y 。描述耦合关系的工程弹性常数： 鼻= 等， = 詈，= 砉， 巩一篁詈 ，协和惭称为拉剪耦合系数，概秒和砂称为剪拉耦合系数。 2 4 2 单层复合材料的强度分析 ( 2 1 0 ) 1 、正交各向异性材料的强度指标 正交各向异性材料在不同方向上，其强度特征是不一样的，需要5 个强度 指标才能对复杂应力状态下的单层板进行面内强度的分析，见图2 1 0 。单层板 1 7 1，j r_0j 赢瓦孔瓦瓦瓦 一瓯一如一既一艮一瓯一艮阮阮吼阮吼风一一一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 的5 个基本强度： ( 1 ) 纤维方向的拉伸极限强度x t ： ( 2 ) 纤维方向的压缩极限强度x c ： ( 3 ) 纤维横向的拉伸极限强度n ； ( 4 ) 纤维横向的压缩极限强度y c ： ( 5 ) 面内剪切极限强度s 。 注意：x c ，y c 等指的是绝对值。 目ii 气f 目ii x 。 - - ，。_ - 一- 七= = = = = 一 x tx c 七= = = = = = j 。 y i+ y c 匡|一匡蚕 牟y c 。8 2 c ) 午s i 丫1 2 图2 1 0 单层板的强度指标 2 、强度准则 强度准则用于判定材料在复杂应力状态下是否发生破坏，应用于复合材料 的强度准则有很多种，最常见的理论有最大应力失效准则、最大应变失效准则、 蔡希尔失效准则、霍夫曼失效准则和蔡吴张量准则。 ( 1 ) 最大应力失效准则( m a x i m u ms t r e s st h e o r y ) 研 i 一 f x y l - 一 f - - - - a - x 图2 1 l 面内受力单元 图2 1 l 是面内受力状态。根据面内受力状态，通过坐标变换，求出材料主轴 方向的应力应力田，吻和f ，2 。最大应力准则的表达式为： 田= 石( 压缩时i 听i = 五) 一e 2 = y ,( 压缩时10 2i = 匕) ( 2 1 7 ) 1 8 i ) k 鼢i ( 武汉理工大学硕士学位论文 i 力? i = j 最大应力准则不考虑破坏模式之间的影响。 材料主方向上应力与相应的单层板基本强度的比值称为破坏指数( f a i l u r e i n d e x ) ，表示为融。e l = i 表示破坏的临界状态，e l i ， 表示已经发生破坏。 ( 2 ) 最大应变失效准则( m a x i m u ms t r a i nt h e o r y ) 最大应变准则与最大应力准则相似，只是将各应力分量换成应变分量，相 应的强度指标换成极限应变值，即： 8