毕业设计（论文）-碳纤维复合材料推力轴设计

碳纤维复合材料推力轴设计 摘要碳纤维复合材料是由基体材料和碳纤维复合而成的先进材料，有着比强度比模量高、本文针对碳纤维复合材料推力轴进行了设计计算，主要工作如下：首先对碳纤维复合材料推力轴的总体方案进行研究。在材料上，对比了全碳纤维复合材料结构和碳纤维复合材料轴管加金属法兰、推力盘结构的优缺点，基于工艺性和材料特性的考虑选择了后者；在连接形式上，比较了机械连接和胶接的优缺点，基于结构和工艺性考虑选择了胶接。最后总体结构设计为中间为金属推力盘，两端分别胶接一个碳纤维复合材料轴管，轴管的另一端分别胶接一个金属法兰的结构形式;其次通过强度校核公式确定了金属法兰和推力盘的最小直径，查阅手册确定其它尺寸后，建立法兰和推力盘的三维模型并用有限元软件进行强度校核；MATLABANSYSworkbench7种方案后，对各方案刚度、最先一层失效强度以及应力、扭转角和屈曲强度分析。确定了满足要求的最佳方案后，对该方案进行了针对轴管和整根推力轴的模态分析，确定了临界转速。关键词：碳纤维复合材料；推力轴；结构设计AbstractThethrustshaftisanimportantpartoftransmittingtorqueandthrustintheship'spowersystem.theimprovementoftechnologicallevel,therequirementsfortheperformanceofthrustshaftsarealsoincreasing.However,themetalmaterialthrustshaftisdifficulttohavealargeperformanceimprovementunderthelimitationsofitsmetalperformance.Choosingbetterperformancematerialsisoneofthemethodstosolvethisproblem.Carbonfiberreinforcedplasticisanadvancedmaterialcomposedofmatrixmaterialandcarbonfiber.Ithastheadvantagesofhighspecificstrengthandmodulus,gooddampingperformanceandstrongdesignability.Itiswidelyusedinships,vehicles,aerospaceandwindpowergeneration.Itisanexcellentchoiceforthrustshaftmaterials.Thispaperdesignsandcalculatesthecarbonfiberreinforcedplasticthrustshaft,maintasksasfollows:Firstofall,thispaperstudiestheoverallschemeofthecarbonfiberreinforcedplasticthrustshaft.Intermsofmaterials,theadvantagesanddisadvantagesofthestructureofthefullcarbonfiberreinforcedplasticandthecarbonfiberreinforcedplasticshafttubeplusmetalflangeandthrustdiscarecompared,andthelatterisselectedbasedontheconsiderationofprocessabilityandmaterialcharacteristics;Theadvantagesanddisadvantagesofmechanicalconnectionandadhesivebondingwerecompared,andadhesivebondingwasselectedbasedonstructuralandmanufacturabilityconsiderations.theoverallstructureisdesignedasametalthrustdiscinthemiddle,acarbonfiberreinforcedplasticshafttubeisgluedatbothendsofthrustdisc,andametalflangeisgluedattheotherendoftheshafttube;Secondly,theminimumdiameterofthemetalflangeandthethrustdiscisdeterminedbythestrengthcheckformula.Afterconsultingthemanualtodetermineotherdimensions,athree-dimensionalmodeloftheflangeandthethrustplateisestablishedandthestrengthcheckisperformedwithfiniteelementsoftwareFinally,MATLABandANSYSworkbenchareusedtodesignandcalculatethecarbonfiberreinforcedplasticshafttube.Afterproposing7schemes,thestiffness,failurestrengthofthefirstlayer,stress,torsionangleandbucklingstrengthofeachschemeareanalyzed.Afterdeterminingthebestplantomeettherequirements,amodalanalysisoftheshafttubeandtheentirethrustshaftwascarriedouttodeterminethecriticalspeed.Keywords:Carbonfiberreinforcedplastic;thrustshaft;structuraldesign目 录第1章绪论 1研究背景 1目的和意义 1国内外研究现状 2国内研究现状 2国外研究现状 3主要研究内容 4第2章碳纤维复合材料设计理论基础 5单层板的刚度与强度 5单层板的正轴刚度 5单层板的偏轴刚度 6单层板的失效准则 7层合板的刚度与强度 8层合板的刚度 8层合板强度计算方法 第3章碳纤维复合材料推力轴结构设计 13性能要求 13总体设计 13法兰和推力盘设计 143.3.1材料 15设计与校核 15胶层设计 16碳纤维轴管设计 173.5.1材料 17成形工艺 17铺层设计 18铺层设计原则 18铺层方案的提出 18对各方案的性能计算 19结构图纸 27第4章碳纤维复合材料推力轴动力学分析 29碳纤维复合材料轴管的模态分析 29基于经验公式的模态分析 29基于ANSYSworkbench的模态分析 29碳纤维复合材料推力轴的模态分析 30第5章总结与展望 325.1总结 325.2本文的不足和展望 32参考文献 33附录A方案3的最先一层失效强度计算程序 35致谢 39PAGEPAGE第1章绪论研究背景推力轴属于船舶轴系中的传动轴，它的主要作用就是与其它传动轴相配合，将发动机产生的转动传递给螺旋桨，并将螺旋桨产生的推力或拉力通过轴上的推力盘传递给推力轴承最终传递到船体，实现船体的前进和倒车运动,推力轴在船舶轴系中的位置如图1.1所示[1、2]。图1.1船舶轴系示意图361020、30、3535[3]。不难看出，金属材料的自身属性难以满足推力轴的性能提升要求，解决这一问题的途径之一就是选用比强度、比模量高，固有频率高，阻尼性能好的材料。碳纤维复合材料就是一种满足以上要求的材料。碳纤维复合材料属于复合材料中的纤维增强复合材料，是由碳纤维和基体材料两种材料通过一定工艺制成的优质材料。碳纤维是碳纤维复合材料中的增强体，是一种由碳元素组成的特种纤维，在纤维方向有着很高的抗拉强度和模量，有耐高温、耐摩擦和耐腐蚀等特性。基体材料是碳纤维复合材料中的连续相，它将增强体碳纤维粘结为一体，起到了成型、传力和保护的作用。基体材料中种类繁多，有金属基体、无机胶凝材料基体、陶瓷材目的和意义国内外研究现状目前国内外关于复合材料推力轴的研究文献较少，但是对于复合材料传动轴的设计制造方法和性能研究已经相对成熟，对于复合材料管的轴压性能的分析也有了不错的进展，复合材料推力轴的设计分析可以参考上述两个方向的研究成果。国内研究现状在研究复合材料传动轴的固有频率方面，杨睿[4]等通过理论、有限元分析和实验的方在复合材料传动轴的扭转力学性能研究方面，宋宇[6]等针对铺设角为±45°的复合材料薄壁轴，推导了纵、横向和剪切应力的表达式，并发现了壁厚与半径之比与计算的精确度之间的关系，壁厚与半径比越小，公式法得到的结果越精确，壁厚与半径比越大，有限元法的结果越精确。陈静[7]利用有限元分析软件对不同铺层的应力分布情况进行分析，发现不同的铺层顺序对碳纤维复合材料轴的最大应力有影响。奚曹良[8]等通过理论计算、有了复合材料经典力学的理论和计算公式以及有限元分析对于碳纤维复合材料轴的分析的准确性。蔡光胜[9]等对碳纤维复合材料直升机传动轴进行了设计分析，提供了设计复合材[10]从选[11]等利用层合板理论和有限元分析相结合的方式，设计了一种水下装备用传动轴并对其屈曲转矩、扭转强度等指标进行了分析，验证了临界屈曲转矩计算公式的准确性。[12]等通过理论和有限元分析对受力状态45°时传0°时传动轴在轴压和弯矩变形最小，强度0°-19°19°-90°时变形主要受弯矩的影响。张军[13]等用有限元的方法研究了长细比和铺层角度对受0°时管的轴压承载力最90°[14]等通30°45°60°的短管和细在复合材料传动轴的连接方面，杨筵东[15]等用有限元和实验的方法分析了连接形式、孔径大小和端距与孔径比对凸头螺栓连接和碳纤维沉头螺栓连接结构的破坏形式影响。孙涛[16]等通过理论分析总结了碳纤维复合材料螺栓连接的失效形式、强度理论和强度预测的计算方法，还总结了干涉量配合、预紧力和铺层角度等对螺栓连接的强度的影响。章莹[17]等通过有限元法分析了不同胶接接头形状对于碳纤维复合材料传动轴的扭转性能的影响，发现在铺层方式、碳纤维轴截面周长和金属端横截面面积一定的情况下正六边形连接能承受的临界扭矩最大。洪涛[18]等通过实验和有限元法研究了扭转载荷下的碳纤维复合材料传动轴胶接接头的应力分布失效模式等失效行为，并通过有限元法和实验结果相对比验证了有限元模型的正确性。国外研究现状AleksandrCherniaev[19]等设计了复合材料传动轴的优化路线和优化算法，基于载荷StedileFilho[20]等通过实验和有限元分析比较了[±22/±45]、2 6[±45/±45]和[±89/±45]三种铺层角的缠绕型碳纤维复合材料传动轴的扭转以及轴向[±89/±45]了弯曲，但是[±22/±45]的弯曲程度最小。渡邉太一[21]等对[90/-45/+45]2 6645/90/+45]690°[90/-45/90/+45]6即最大相邻两铺层角45°[(90/-45/90/+45)6/90]的传动轴扭转强度比铺层角为[902/-45/+45]6的传动轴高出25%，比铺层角为[90/-45/90/+45]10%。B.JamesPrasadRaoa[22]等通过有Montagnier[23]等通过数值计算的方法对亚临界或超临界±45°铺层；需要增大轴向刚度和减小轴向阻尼时应多使用0°铺层；为了获得较高的屈曲扭矩，应在离90°铺层。61.4本文的主要工作内容（2）利用软件对碳纤维复合材料推力轴进行强度、刚度和临界转速的分析。第2章碳纤维轴管设计理论基础[24]单层板的强度与刚度12 12用宏观力学的方法分析单层板时是假设单层板为连续、均匀且正交各向异性的材料。E1E2XtYtXcYc、层间剪GSυ12 12单层板的正轴刚度单层板的正轴刚度是指单层板在正轴方向上的刚度性能，它可以用三种形式来表示：[24]σ1σ2和τ122.1图2.1正轴应力分量和σ22与这三个应力分量有关的应变为ε1、ε2和γ12。模量分量的表达式定义为[25]：σ1 Q11Q12 0 ε1σ2=Q21Q22 0

ε2 (2.1)τ12 0 0 Q66

γ12式中[Q]为模量分量，[Q]中参数由下式定义[25]：⎧𝑄11=𝑀𝐸1⎧𝑄22=𝑀𝐸2⎪ =⎨ ==𝜐2𝐸2-1

(2.2)⎪𝑀=(1-𝜐1𝜐2)-1=1-⎩

1𝐸1单层板的偏轴刚度单层板的偏轴刚度指的是单层板在偏离正轴方向上的刚度性能。与正轴刚度类似，单层板的偏轴刚度参数也由偏轴的应力-应变关系确定，铺层角与应力分量之间的关系如图所示：图2.2单层板铺层角与偏轴应力分量图中单层板单元体受偏轴正应力σx，σy和偏轴剪应力τxy的作用，xyyxθ，θ就是指的层合板中单层板的铺层角度。轴应力、应变和正轴应力、应变之间的关系如下[24]：𝜎1𝜎2=

𝑚2 𝑛2 2𝑚𝑛𝑛2 𝑚2 -2𝑚𝑛

𝜎x即=(2.3)𝜏12𝜀1 =𝛾12

-𝑚𝑛 𝑚𝑛 𝑚2-𝑛2𝑚2 𝑛2 𝑚𝑛𝑛2 𝑚2 -𝑚𝑛-2𝑚𝑛 2𝑚𝑛 𝑚2-𝑛2

𝜏xy𝜀x即{𝜀1}=(2.4)𝛾xy式中m=cosθ，n=sinθ。由式（2.1（2.3）和（2.4）可得[24]：

𝜎x

12

𝜀xx}=CJ1𝑄[Ex}=-x}即y=-1-2-6y (2.5)式中-为偏轴模量，其中-j=-ji。且正轴模量和偏轴模量有以下关系[24]：

-1-2-

𝛾xy⎧1⎫

⎡𝑚4 𝑛4 2𝑚2𝑛2 4𝑚2𝑛2 ⎤⎪-2⎪

⎢𝑛4 𝑚4 2𝑚2𝑛2 4𝑚2𝑛2

⎥𝑄11

⎢𝑚2𝑛2 𝑚2𝑛2 𝑚4+𝑛4 -4𝑚2𝑛2

⎥𝑄22⎨-

⎬=⎢𝑚2𝑛2 𝑚2𝑛2 -2𝑚2𝑛2 (𝑚2-𝑛2)2

⎥(2.6)66⎪6⎪

⎢𝑚3𝑛 -𝑚𝑛3𝑚3𝑛-𝑚𝑛32𝑚3𝑛-𝑚𝑛3⎥

𝑄66⎩-6⎭

⎣𝑚𝑛3 -𝑚3𝑛 𝑚𝑛3-𝑚3𝑛 2(𝑚𝑛3-𝑚3𝑛)⎦m、n（2.3（2.4。2.1.3单层板的失效准则Tsai-HillTsai-WuHoffman失效准则[8]Tsai-Wu在碳纤维复合材料中，Tsai-Wu失效准则可以由下式表示[25]： +++++=1 (2.7)1 2 6式中σ6即单元体正轴剪应力τ12，F为强度参数，可由下式表示[25]：⎧ 𝐹 = 111⎪⎪⎪ ⎪⎪

𝑋t𝑋c=1𝑌t𝑌c1 2=-21

(2.8)⎪⎨ =𝑆2⎪⎪⎪ ⎪⎪⎪

=1𝑋t1

-1𝑋c1⎩ =-Tsai-Wu11/Tsai-Wu[25]𝜎i(a) 𝑅=

(2.9)式中𝜎i为施加的应力分量，𝜎i(a)为施加应力分量对应的极限应力分量。引入强度比的Tsai-Wu失效准则可以表示为[25]： +++𝐹66𝜎2)𝑅2++=1 (2.10)1 2 6层合板的刚度与强度解出了单层板刚度与强度后就能在此基础上求得层合板的刚度与强度，层合板的刚度与强度的求解是建立在经典层合理论上，即假设层合板是由连续、均匀且正交各向异性的单层板构成的一种材料，同时各个单层板之间是完全粘接在一起，且仅限于线弹性和小变形情况下[24]。层合板的刚度对于层合板中铺层的标号、中面和坐标的定义如图2.3所示x图2.3层合板的各单层z坐标[25]层合板中坐标为z的单层板的应变可以表示为[24]：x𝜀x

𝜀O

𝑘xy =𝜀O+𝑧𝑘y (2.11)y𝛾xy𝛾 𝛾xyxy

𝑘xy式中𝜀O、𝜀O和𝛾O为层合板中面的应变；𝑘、𝑘和𝑘

为层合板中面的曲率。x y xy x y xyx对于层合板来说，层合板面内的内力就是层合板中各个单层板应力的合力，层合板的弯曲力矩是层合板各个单层板应力的合力矩，再结合单层板偏轴模量公式（2.5）可得[24]：x𝑁x⎧𝑁y⎫⎪𝑁xy⎪

⎡𝐴11⎢𝐴21=⎢𝐴61

𝐵16⎤⎧𝐴12𝐴16𝐴12𝐴16𝐵11𝐵12𝐴22𝐴26𝐵21𝐵22𝐴62𝐴66𝐵61𝐵62𝐵12𝐵16𝐷11𝐷12𝐵22𝐵26𝐷21𝐷22𝐵62𝐵66𝐷61𝐷62𝐵66⎥

𝜀O⎫y𝜀Oy𝛾O𝛾xy (2.12)⎨𝑀x⎬⎪𝑀y⎪

⎢𝐵11⎢𝐵21

𝐷16⎥⎨𝑘x⎬𝐷26⎥⎪𝑘y⎪⎩𝑀xy⎭

⎣𝐵61

𝐷66⎦⎩𝑘xy⎭式中、和N/m；𝑀x、和𝑀xy为层合板的弯矩或𝐴ij𝐵ij表示弯曲拉伸之间有耦合关系，可以称之为耦合刚度系数，单位为N。可以将上式简化为[24]： 𝑁冈=[𝐴 𝐵 𝜀O

(2.13)𝑀 𝐵 𝐷]𝑘冈式中子矩阵[A][B][D]为弯曲刚度矩阵。简化后各矩阵含义如下[24]：⎧𝐴=[𝐴ij]⎪𝐵=[𝐵ij]⎪𝐷=[𝐷ij]x⎪⎪ 𝜀Ox⎪y⎪⎪𝜀O=𝜀Oy⎪𝛾𝛾xy⎪ 𝑘x⎨𝑘=𝑘y (2.14)⎪ 𝑘xy⎪ ⎪𝑁=⎪ ⎪ ⎪𝑀=𝑀⎪ y⎩ 对于式中𝐴ij、𝐵ij和𝐷ij的值由下式定义[24]：n zk n zk⎧𝐴ij=I -(k)𝑑𝑧=I -(k)k-k1)k=1

ijzk-1

k=1

ijzk-1⎪ n zk

n zk12ij=I -(k)𝑑𝑧=I2

-(k)𝑧2-𝑧2)

(i,j=1,2,6) (2.11)⎨ k=1n

ijzk-1zk

k=1n

ij kzk-1zk1

k-13⎪ij=I -(k)𝑑𝑧=I -(k)𝑧3-𝑧3)3⎩ k=1

ijzk-1

k=1

ij kzk-1

k-1其中，-(k)3kzkij k板的中面的坐标。之前已经提到，𝐴ij、𝐵ij和𝐷ij以及N和M再加上k⎧𝐴∗=𝐴ij⎪ ij ℎ⎪𝐵∗=2𝐵ij⎪ ⎪∗

ℎ212𝐷ij⎪𝐷ij=⎨

ℎ3 (2.15)𝑁⎪ 𝑁∗=ℎ⎪⎪𝑀∗⎪

6𝑀=ℎ2⎩⎪𝑘∗=ℎ𝑘⎩2式中𝐴∗、𝐵∗和𝐷∗分别为正则化的拉伸刚度系数、耦合刚度系数和弯曲刚度系数；𝑁∗ij ij ij和𝑀∗分别为正则化的层合板面内力和弯矩，𝑘∗为正则化的曲率，正则化后𝐴∗、𝐵∗、𝐷∗、𝑁∗和𝑀∗的单位均为应力单位Pa，𝑘∗与应变一样无量纲。正则化后应力-应变关系公式可以写成[24]：

ij ij ijx𝐴⎡𝑁∗ x𝐴⎡∗⎧𝑁∗⎫ ∗

∗ ∗𝐴𝐴12𝐴𝐴∗ ∗

∗ ∗𝐵𝐵11𝐵𝐵∗ ∗

∗𝐵⎤16𝐵⎤∗

𝜀Ox⎫x𝜀O⎪ y⎪

⎢𝐴21

𝐴22

𝐴26

𝐵26⎥⎪y⎪𝑁∗

𝐴∗ 𝐴∗ 𝐴∗ 𝐵∗ 𝐵∗ 𝐵∗

𝛾Oxy =⎢ 61 62

66 61

62 66⎥

xy (2.16)𝑀∗

3𝐵∗ 3𝐵∗ 3𝐵∗ 𝐷∗ 𝐷∗ 𝐷∗

𝑘∗⎨ x⎬

⎢ 11

16 11

12 16⎥⎨x⎬𝑀∗

⎢3𝐵∗ 3𝐵∗ 3𝐵∗ 𝐷∗ 𝐷∗ 𝐷∗⎥

𝑘∗⎪ y⎪

21

26

22 26⎪y⎪⎩𝑀∗⎭

⎣3𝐵∗ 3𝐵∗ 3𝐵∗ 𝐷∗ 𝐷∗ 𝐷∗⎦

𝑘∗xy 61 62同样上式可简化为[24]：

66

62

⎩xy⎭𝑘 𝑁∗冈=[𝐴∗ 𝐵𝑘

𝜀O

(2.17)𝑀∗

3𝐵∗𝐷∗]∗冈层合板的工程弹性常数可以通过面内柔度系数确定，正则化面内柔度系数的计算方法如下[24]：𝑎∗ 𝑎∗ 𝑎∗ 𝐴∗ 𝐴∗ 𝐴∗ -111 12 16 11 12 16 [𝑎∗]=𝑎∗ 𝑎∗ 𝑎∗=𝐴∗ 𝐴∗ 𝐴∗

=[𝐴∗]-1 (2.18)21 22 26 21 22 26𝑎∗ 𝑎∗ 𝑎∗ 𝐴∗ 𝐴∗ 𝐴∗61 62 66 61 62 66式中[𝑎∗]为正则化面内柔度矩阵。工程弹性常数的计算方法如下[24]：𝑎⎧𝐸O=1𝑎x ∗⎪ 11𝑎⎪𝐸O=1𝑎⎪ y ∗⎪ 22𝐺O=1

(2.19)𝑎∗xy𝑎∗⎨ 66⎪ 𝑎∗𝑎𝑣O=-21𝑎⎪x ∗⎪ 11𝑎∗𝑎⎩⎪𝑣O=-12𝑎⎩y ∗22式中𝐸O为层合板面内纵向拉压弹性模量；𝐸O为层合板面内横向拉压弹性模量；𝐺O为x y xy层合板面内剪切弹性模量；𝑣O和𝑣O为层合板面内泊松耦合系数。x y层合板强度计算方法由于层合板一般由不同铺层角度的单层板构成，因此层合板失效并不是所有铺层同时（2.16）计算各个单层板的正轴应变，Tsai-Wu（2.10）第3章碳纤维复合材料推力轴结构设计由于碳纤维复合材料轴的材料属性较为复杂，设计计算过程多为矩阵计算，所以使用MATLABANSYSworkbenchMATLABANSYSworkbenchMATLABmatrixlaboratorymathworkscMATLABANSYSANSYSANSYSworkbenchANSYS相对于ANSYSCADworkbenchACP与金属材料不同的是，碳纤维复合材料的性能不仅取决于纤维种类和基体材料，单层板的厚度、数量、铺层角度和铺层顺序都会影响最终的结构性能。为了得到性能更佳的产品，在设计中需要对不同的方案进行分析计算，并选择更加适合的方案。性能要求1400KN·m1300KN，最300rpm，2，9000mm2，所以将最大转矩2800KN·m，2600KN。总体设计3.1图3.1整锻式推力轴结构[26]在材料方面，传统的碳纤维复合材料轴一般会选择使用碳纤维轴管和金属轴端，现在也有制作全碳纤维复合材料结构的轴。碳纤维复合材料的结构基本上是以表面平滑的结构为主，有三维编织的碳纤维复合材料结构但是技术还不够成熟。对于碳纤维复合材料轴来说，基本上都是以圆柱面为基础进行铺层，如果中间的推力盘也使用碳纤维复合材料，其铺层方法较难设计。碳纤维复合材料的主要承载方向是沿着纤维方向，由于本次设计中推力和扭矩的大小相对较大，若中间推力盘铺层垂直于轴线，那么很大的推力将由铺层表面承载，并不合适；如果推力盘铺层和轴一样，以圆柱面为基面，那么推力盘与轴的交界处刚度将会很差，所以推力盘不适合用碳纤维复合材料制作。同理，法兰的制作材料也不适合用碳纤维复合材料，故本文选择使用金属制作推力盘和法兰。2600KN在结构位置方面，为了使从螺旋桨和发动机传递来的动载荷先通过碳纤维复合材料轴管，再传递到船体，从而减小振动，所以将推力盘设计在中间，两端各有一段碳纤维复合材料轴管，轴管的另一端与法兰相连接。综上所述，选择金属的法兰和推力盘，使用胶接的形式与碳纤维复合材料轴管连接。总体结构如图3.2所示：图3.2总体结构示意图法兰和推力盘设计对于金属法兰和推力盘的设计，可以首先计算出最小轴径作为连接部分的直径，同时[27]材料34CrNi3MoA表3.134CrNi3MoA材料性能名称/单位参数抗拉强度σb(MPa)880屈服强度σs(MPa)800弹性模量E(GPa)206剪切模量τ(GPa)81.7泊松比v 0.26硬度(HB) 295设计与校核 3=-=✓𝜎2+4𝜏2::;[𝜎] (3.1)式中σ和τ以及[σ]的计算公式如下：=𝜎 𝐹 =𝑅2 𝑟2

(3.2)𝜋(2f-2f） 𝑇 𝜏= 𝜋𝑅3

𝑟4

(3.3)16(1-𝑅f） [𝜎]=(3.4)𝑎式中，F2600KN，T2800KN·m，Rr800MPa，𝑎2。R418.4mm420mm168mm419.8mm。其他尺寸根据手册[27]确定，具体数据见图纸。0.6（a）（b）（c）（d）3.3法兰和推力轴的应力有限元分析（a）法兰的轴向应力（b）法兰的剪切应力（c）推力盘的轴向应力（d）推力盘的剪切应力55.6MPa212.4MPa，推力盘的最24.8MPa，168.5MPa，均满足条件。胶层设计[28]后选J-9533MPa 𝐿�2𝑇 (3.5)[5]𝜋𝑅2[𝜏]式中[𝜏]为胶粘剂许用剪应力，计算公式如下： [𝜏]=𝜏 (3.6)𝑎式中τ为胶粘剂剪切强度，𝑎为安全系数。L612.4mm，由于胶接中可能出现气泡等缺陷，一般会选用700mm。碳纤维轴管设计碳纤维复合材料轴管设计主要就是铺层设计，主要设计内容为铺层层数、铺层角度和铺层顺序。轴管的设计流程是先选择材料，确定制造工艺，最后设计铺层并校验。材料为了减少重量，减小碳纤维轴管直径，选择高强度碳纤维复合材料较为合适，选择的碳纤维复合材料为T700/8002，其材料属性如下表所示[18]：表3.2T700/8002材料属性名称/单位参数值名称/单位参数值E1/GPa150Xt/MPa2350E2/GPa9Yt/MPa86E3/GPa9Zt/MPa86v120.24XC/MPa1570v130.24YC/MPa340v230.28ZC/MPa340G12/GPa5.12S12/MPa104G13/GPa5.12S13/MPa104G23/GPa3.34S23/MPa86ρ/g·cm-31.5t/mm0.3表中，t为单层厚度。成形工艺目前树脂基复合材料的成形工艺主要分两大类，一个是纤维预浸成形，另一个是预成形件树脂转移模塑成形，其中用得较多的是纤维预浸成形。纤维预浸成形又可以分为两个大类，一个是纤维预浸渍成形，另一个是纤维在线浸渍成形，这两种成形方法的区别就在于一个是事先制作好预浸布，使用时剪裁为合适大小再进行铺层成形，另一个则是用纤维和树脂基体通过缠绕或者挤压直接成形[28]。现阶段热压罐成形的工艺较为成熟，成形的零件具有均匀的树脂含量和良好的内部质量，如果是轴类零件还有一致性高的特点，所以本次成形工艺选择为热压罐成形。铺层设计铺层设计原则铺层设计要遵循一定的原则，主要有以下几点[28]：0°90°铺层，如果轴受扭矩，则多使用±45°铺层；0°90°±45°6%-10%，以保证基体延各个方向不受载荷。铺层方案的提出MATLAB[9]计算出全为±45°铺层且满足扭矩15216090°0°表3.3铺层方案序号 铺层方案1 [±45/0/0/±45/90/0/±45/0/0/±45]10s2 [±45/25/0/±45/90/0/±45/0/-25/±45]10s3 [±45/45/0/±45/90/0/±45/0/-45/±45]10s4 [±45/65/0/±45/90/0/±45/0/-65/±45]10s5 [±45/90/0/±45/90/0/±45/0/90/±45]10s6 [±45/0/45/±45/90/0/±45/-45/0/±45]10s7 [±45/45/-45/±45/90/0/±45/45/-45/±45]10s28090°7.14%，156373±45°铺层的比例对轴性能的影响。对各方案的性能计算在第二章已经对单层板和层合板的性能计算原理进行了阐述，根据层合板强度计算的步骤对每个方案进行分析。3.2T700/8002中得到单层板的正轴刚度矩阵：150.52 2.17 0 [𝑄]=2.17 9.03 0 (3.7)式中单位为GPa。

0 0 5.123.4、3.5、3.6表3.4正则化拉伸刚度矩阵刚度(GPa)刚度(GPa)方案𝐴11∗𝐴∗21𝐴∗22𝐴∗ 𝐴∗61 62𝐴∗66180.7421.4240.320.000.0024.37180.7421.4240.320.000.0024.37274.3124.2441.100.000.0027.19365.8226.2345.610.000.0029.18461.3124.2454.090.000.0027.19560.5321.4260.530.000.0024.37665.8226.2345.610.000.0029.18750.9031.0450.900.000.0033.99刚度(GPa)刚度(GPa)方案𝐵11∗𝐵∗ 𝐵∗ 𝐵∗ 𝐵∗ 𝐵∗21 22 61 62 661 0.000.000.000.000.000.002 0.000.000.000.000.000.003 0.000.000.000.000.000.004 0.000.000.000.000.000.005 0.000.000.000.000.000.006 0.000.000.000.000.000.007 0.000.000.000.000.000.00表3.6正则化弯曲刚度矩阵刚度(GPa)刚度(GPa)方案𝐷11∗𝐷∗21𝐷∗22𝐷∗ 𝐷∗61 62𝐷∗66180.6221.4340.410.220.2224.38274.1924.2641.200.820.3627.21365.7026.2445.710.700.7029.19461.1924.2654.200.360.8227.21180.6221.4340.410.220.2224.38274.1924.2641.200.820.3627.21365.7026.2445.710.700.7029.19461.1924.2654.200.360.8227.21560.4021.4360.640.220.2224.38665.7126.2445.710.600.6029.19750.7931.0551.000.110.1134.00表3.7工程弹性常数参数/单位参数/单位方案𝐸x/GPa𝐸y/GPa𝐺xy/GPa 169.3634.6324.37169.3634.6324.370.530.27260.0133.1927.190.590.33350.7435.1629.180.580.40450.4544.5127.190.450.40552.9552.9524.370.350.35650.7435.1629.180.580.40731.9831.9833.990.610.61（a）（b）3.4（a）模量（b）泊松比0°开始变大，层合板的纵向弹性模量先下0°45°65°90°0°25°45°90°45°时剪切模45°45°泊松比大小相近，4545°65°的大3673，弹性模量有所减小，剪切模量有所上升，泊松比也有所上升。Tsai-Wu表3.8各方案最先一层失效强度方案方案参数/单位1234567261.84278.89281.85261.84278.89281.85248.25250.79281.85218.84281.98300.34303.53267.34270.08303.53235.6715345°则扭矩承载能力变强，23367345°铺层并不是比例越0°铺层获得更佳的性能。由于碳纤维复合材料管受到轴向力和扭矩的复合力，理论方法不容易计算其应力，所以使用有限元方法，利用ANSYSworkbench对其进行分析。workbenchworkbenchACP图3.5workbench界面DesignModeler图3.6建立的基体模型Mechanical663，680图3.7划分网格之后在ACP中对铺层进行定义，定义完成后就能生成碳纤维复合材料轴管的实体模型，如下图所示：图3.8实体模型1910801856403.93.10图3.9实体模型的网格图3.10载荷和约束solveACP（Post）Tsai-WuTsai-Wu3.9对所有方案进行分析后将上述分析结果的汇总。（a）（b）（c）（d）3.11方案一的各项性能方案参数/单位123456方案参数/单位1234567最大轴向应力/MPa151.37158.47130.83139.45153.10130.80123.28最大剪切应力/MPa161.49144.40137.09146.46161.73137.06125.53最大扭转角/rad0.01490.01330.01250.01340.01490.01250.0108最大扭转角/°0.850.760.720.770.850.720.62最大Tsai-Wu失效系数0.2970.2680.2530.2700.2990.2520.226对于复合材料，许用应力可以按下式计算：[𝜏]

𝜏=𝑎�𝜎

(3.8)[𝜎]=𝑎�𝜎max式中，𝜏为许用剪切应力，𝜎为许用轴向应力，𝜏为最先一层失效强度（剪切应力，𝜎为最先一层失效强度（轴向应力，𝑎为安全系数。𝜏max为最大剪切应力，max为最大轴向应力。将表3.8通过式（3.8）计算后可以得到各个方案的许用应力，如表3.10所示：方案参数/单位方案参数/单位1234567[𝜏]/MPa 130.92139.45140.92124.12125.39140.92109.42[𝜎]/MPa 140.99150.17151.76133.67135.04151.76117.843.103.9363作为目前的选定方案。workbench3.12图3.12屈曲分析界面计算完成后，其结果如下图所示：（a）（b）3.13屈曲分析结果（a）一阶屈曲（b）二阶屈曲从图中可以看到，一阶载荷因子为-30.471，二阶载荷因子为12.895，负值的意义是反转载荷方向后的载荷因子。由于这次分析中轴向力为压力，所以可以发现当碳纤维复合材料轴管受压时屈曲强度要小于受拉时的屈曲强度，同时载荷因子大于安全系数2，所以碳纤维复合材料轴管的屈曲强度满足要求。最后对装配好的整根碳纤维复合材料推力轴进行静力分析，首先将各零件进行建模和网格划分，再导入到静力分析模块中，如图3.14所示：图3.14装配体的静力分析界面在静力分析界面移动零件至合适位置，定义连接为固结来模拟胶接，再添加载荷和约束，如图3.15所示：图3.15完成装配和载荷、约束的定义solve，x112113.163.11：（a）（b）3.16（a）法兰1的轴向应力（b）轴管1的轴向应力表3.11各个零件的最大轴向应力和最大切向应力零件零件参数/单位法兰1轴管1推力盘轴管2法兰2最大轴向应力/MPa232.99100.14152.7165.80426.402最大切向应力/MPa239.33102.39121.0170.07189.143由于网格较大，所以图中会出现应力奇异点，所以结果会有一定的误差，但将表3.113结构图纸下面是结构图纸的缩略图，具体图纸见附件。图3.17法兰零件图6图3.18推力盘零件图图3.19碳纤维复合材料轴管零件图图3.20装配图第4章碳纤维复合材料推力轴动力学分析除了强度性能外，推力轴作为传递转动的零部件，其动力学特性也是重要性能之一。碳纤维复合材料轴管的模态分析基于经验公式的模态分析对于复合材料轴管，计算固有频率的公式如式（4.1）[5]所示;𝜋𝑝2𝐸x𝐼x

(4.1)𝑓=𝑚式中：𝑓为固有频率/Hz；𝑝为阶数；𝐿为传动轴长度/m；𝐸x为层合板纵向弹性模量/Pa；𝐼x为惯性矩/m4；m为单位长度的传动轴质量/kg·m-1。带入数值计算后，碳纤维复合材料轴管的一阶固有频率为172.73Hz。ANSYSworkbench的模态分析workbenchACPmodalmodal4.1图4.1碳纤维复合材料轴管的模态分析界面19040010solve04.2所示，各阶固有频率见表4.1：（a）（b）（c）（d）4.2碳纤维复合材料轴管的部分振型图（a）7（b）8（c）9（d）104.1碳纤维复合材料轴管各阶固有频率阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10固有频率/Hz

0.0060.0080.0080.0080.0090.01347.54347.54710.35775.17可以发现，碳纤维复合材料轴管的1到60，这是因为轴管没有7通过固有频率可以计算临界转速，计算公式如下： 𝑁60𝑓 (4.2)其中，𝑁为临界转速/rpm。172.73Hz347.54Hz172.73Hz4.2碳纤维复合材料推力轴的模态分析由于整根推力轴是由法兰、碳纤维复合材料轴管和推力盘组成，所以其整体固有频率和轴管的固有频率可能会有较大差异，故对整根推力轴进行模态分析。方法与之前类似，先将各个零件的模型建立好后导入模态分析模块中，如图4.3所示：图4.3推力轴模态分析界面553931图4.4推力轴第7阶振型图可以看到，其固有频率21.48Hz较之前对碳纤维复合材料轴管的有限元分析结果347.54Hz600rpm，所以碳纤维复合材料推力轴的临界转速性能是可靠的。第5章总结与展望总结本文在复合材料力学的基础上，综合了理论及算法和有限元分析法，对碳纤维复合材料推力轴进行了设计计算，并最终获得了可以满足各项需求的设计方案获得了如下结论：1.碳纤维复合材料轴管在轴向力和扭矩的共同作用时，45铺层的承载能力较好；2.0本文的不足和展望本文虽然设计出了一个能满足要求的碳纤维复合材料推力轴方案，但是金属在整个轴的使用比例仍然较高，使得最后方案相比于全金属结构推力轴的性能没有很大的提升。受制于时间、技术和自身知识的不足，目前无法设计出全碳纤维复合材料推力轴，也没有对碳纤维复合材料轴管进行优化设计；同时由于硬件设施限制，无法在有限元分析轴管使用更加精密的网格，甚至无法计算出整体的屈曲强度；另外由于环境限制，无法制作样本进行实验，得不到有限元分析和计算的准确性。对于碳纤维复合材料推力轴的研究，还有很多可以进一步研究：可以作为一般规律在各种条件下的碳纤维复合材料推力轴或者其它受扭矩和推力的碳纤维复合材料轴的设计中起到作用；参考文献[1]虞凯,李永顺.船舶推进轴系设计要点解析[J].中国水运(下半月),2019(11).[2]商圣义.民用船舶动力装置修订版(船舶动力装置专业用).北京：人民交通出版社，1996.33-34[3]Il-KeunKwon,Hong-SeokPark.DesignofDieForgingProcessofThrustShaftforLargeMarineDieselEngineusingFloatingDieConcept[J].InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,2011,12(3):527-535.[4]杨睿.碳纤维复合材料传动轴的动力学特性研究[D].湖北:武汉理工大学,2013.[5]张国良.碳纤维传动轴设计制造与检测理论及技术研究[D].湖北:武汉理工大学,2015.[6]宋宇.复合材料传动轴铺层优化设计[D].天津:天津工业大学,2017.[7]陈静.碳纤维复合材料传动轴的仿真分析[J].内燃机与配件,2019