碳纤维复合材料传动轴结构铺设方案优化设计.docx

随着新一代汽车发动机的不断发展和提高整车性能的需求，传统材料已经无法满足对汽车动力总成轻量化、高效化的要求。因此，采用新型材料和工艺是提高整车性能的重要途径。在这个背景下，对于连续碳纤维增强金属基复合材料传动轴结构整体性能进行分析，设计合理的铺层方案，优化纤维排列结构，提高复合材料传动轴的性能表现，将在未来汽车发展道路上发挥着至关重要的作用。因此，纤维增强复合材料传动轴结构的新材料、新工艺及其优化设计，将是实现发动机推力增加、减轻整车质量及提高发动机效率的关键方向之一。本文是以汽车发动机的传动轴作为研究对象，建立了复合材料轴结构的有限元分析计算模型，分别在弯矩、扭矩以及弯矩和扭矩的复合载荷的作用下，研究复合材料轴结构的最佳铺层方案。首先，由相关数据建立轴结构的有限元模型；然后通过有限元分析进行研究：在传动轴仅受轴弯矩时，改变铺层数以及铺层角度，得到该轴仅受弯矩时铺层数和铺层角度与计算出的应力应变位移之间的关系，找出仅受弯矩时的最佳铺层数以及铺层角度。同理，在传动轴仅受扭矩时，改变铺层数以及铺层角度，得到该轴仅受扭矩时铺层数和铺层角度与计算出的应力应变位移之间的关系，得出仅受扭矩时的最佳铺层数以及铺层角度。在最优的铺层数以及铺层角度的情况下，分别分析不同组合时轴的性能，得出最优的复材层的铺层方案。从而最终得到整个复合材料传动轴结构的最优铺层方案。关键词：连续纤维增强复合材料；优化设计；复合材料传动轴结构；铺层角度；铺层数TitleofPapeTheFiberIsCombinedWithTheMovingShaftOfTheMaterialTransferShaft,AndTheDesignOfPreferentialEducationIsSetUpAbstractAndnow,Andnow,itsauthor,itsuse.Inordertoimprovetheoverallperformanceofthecar,newcastingmaterialsandcraftsmenarethekeyfactors.Inordertorealizetheknot,strongmetalmatrixcomposite,dynamicshaftjunction,integrityanalysis,additionalenginethrust,reducethetotalamountofmotorandimprovetheengineefficiency,thefiberandfiberreinforcedmetalmatrixcompositeshaftstructurelayingschemeisanextremelykeyfactor.Inthisway,withit,withit,withit.Thisarticleisbasedonthemotivesofthecar,topushit,totheway,Ifyougofirst,youwilluseit,Similarly,whenthetransmittingmovingshaftisonlytorqued,theplydataandplyanglearechanged,andthenumberofpliesandplyanglewhenthewholeshaftisonlytorqueareobtainedandthestressstraindisplacementiscalculated,itisobtainedthatwhenonlytorqueistorsion,thenumberofplyisbetterthanplymeasurement.Atthebottomoftheoptimalnumberofpliesandplyangles,thequalityofdifferentcombinedtimeaxesisanalyzedtoproducethebesthigherplysolutions.SothatwiththeTao,withtheTao,withtheTao,withtheTao.Keywords:onefiberfiber,reinforcedandaddedmaterial,optimizeddesign,andmaterialtransmissionshaftstructure,plyangle,numberofplynaments1绪论IV1.1 研究背景及意义错误!未定义书签。1.2 国内外发展现状错误!未定义书签。1.3 文章主要研究内容错误!未定义书签。2碳纤维复合材料传动轴结构力学分析的理论基础22.1 复合材料的力学分析22.1.1 复合材料性能的优越性22.1.2 复合材料的力学分析模型22.2 经典层合板理论错误!未定义书签。2.2.1 层合板的基本假设错误!未定义书签。2.3 单层复合材料的力学分析42.3.1 单层复合材料的应力.应变关系42.3.2 单层复合材料的强度特性72.4 叠层复合材料铺层方式183碳纤维复合材料传动轴受单一载荷规律分析203.1 传动轴受弯矩时的变化规律错误!未定义书签。3.1.1 传动轴受弯矩时改变铺角的变化规律213.1.2 传动轴受弯矩时改变铺层数的变化规律243.2 传动轴受扭矩时的变化规律263.2.1 传动轴受扭矩时改变铺层角度的变化规律263.2.2 传动轴受扭矩时改变铺层层数的变化规律294碳纤维复合材料传动轴受复合载荷组合规律分析334.1 0度层层数对结构性能的影响334.2 0度层位置对结构性能的影响规律354.3 0度层排列连续性对结构性能的影响规律384.4 本章小节395总结41参考文献43致谢错误!未定义书签。1碳纤维复合材料传动轴结构力学分析的理论基础1.1 复合材料的力学分析1.1.1 复合材料性能的优越性目前在航天器结构中，复合材料得到了广泛的应用，并成为不可取代的主要材料,究其原因，是因为它与常规金属材料相比，具有一系列满足航天器结构的优异特性14,其主要优点有：1.非常低的材料密度。比如碳纤维复合材料的比重仅1.6左右，大多数的金属材料难以达到。2 .比较高的材料弹性模量。复合材料的比模量值非常高，因为复合材料的密度低。3 .很高的材料强度。复合材料的比强度值非常高，因为它的密度很低。4 .复合材料的可设计性好。这是复合材料所独有的特性，包含许多构造参数，改变其中任何一个都能改变材料的性能U叫5 .复合材料的热稳定性很强。由于碳纤维的热膨胀系数很小，几乎没有热变形。6 .复合材料的制造工艺性能比较好。7 .复合材料还具有一些比金属材料更优异的性能，如抗疲劳性等。1.1.2复合材料的力学分析模型复合材料的力学分析需要将其结构形成数学和力学方法可表达的三维模型。由于绝大多数结构复合材料都采用长纤维增强的方式，因此分析模型通常考虑这种结构形式。根据复合材料的构造方式，可以使用以下三种模型来表达复合材料的力学分析。1.单层材料单层材料是一种单向复合材料，其中纤维均按同一方向整齐排列，如图2.1所示。这里，沿纤维的方向称为纵向，以1表示；与纤维垂直的方向称为横向，用2表示；与12平面相垂直的方向，即垂直于层面的方向，用3表示。因为认为单层材料很薄，因此沿3方向的尺寸比其他两个方向的尺寸要小很多。从图2.1中可以看出，单向复合材料由纤维和基体组成，是一种两相材料。由于纤维和基体材料性能有很多不一样的地方，所以与常规金属材料不同，单层复合材料在微观上是一种不均匀材料。另外，不管纤维是各向同性还是各向异性材料，所形成的单层复合材料必然是各向异性材料。2.叠层材料由叠层材料是由多个单层材料沿着3方向叠合而成的复合材料结构，在实际应用中被广泛使用。一个总的坐标系xyz被用来描述叠层材料，其中Z轴与单层材料的3轴方向一致。叠层材料由n层单层材料组成，每层单层材料的纤维主轴都有一个偏置角（指沿复合材料纤维方向和垂直于纤维方向的方向），与心），轴方向呈现出一个正方向，如图2.2所示。，图中表示的为正方向。图L2叠层复合材料的构造形式由此可知，为了确定叠层材料的铺层方式，需要考虑以下几个因素:（1）总层数n；（2）每层的纤维角度；（3）每层的厚度，通常各层厚度相同；（4）每层的排列顺序。在工程上，可以使用以下表示方法来描述叠层材料的铺层方式：（1） 一般铺层形式，例如：45/50/90/30；（2）上下对称铺层形式，例如：90/0/0/0/0/90,也可以表示为90090s;（3）相同纤维角度正负相间铺层形式，例如：0/+45/-45/90,也可以表示为：0/±45/90；（4）相同纤维角度连续铺层形式，例如：0/0/0/+45/-45/90/90,也可以表示为03/±45/902o以上铺层方式的选择可以根据结构原件的实际工作要求以及所受载荷情况来确定，旨在使复合材料充分发挥作用并节约成本。由于复合材料是一种不均匀的材料，因此进行力学分析计算时需要考虑单层材料的铺层方式和组成材料等因素。以上描述表明，叠层材料是由多层单向复合材料沿不同方向叠加而成的一种复合材料结构。确定叠层材料的铺层方式需要考虑多个因素，如总层数、各层纤维角度和各层的厚度和排列顺序等。铺层方式可以用一系列表示方法来表示，如一般铺层形式、上下对称铺层形式、相同纤维角正负交替铺层形式以及相同纤维角连续铺层形式等。由于叠层材料是一种非常不均匀的材料，因此对它进行力学分析计算将比较复杂，但可以根据实际工作要求和所受载荷情况来调整单层材料的铺层数量和铺层角度，以充分发挥材料的作用和节约成本。复合材料是一种不均匀的结构，其性能因单层复合材料的不同铺层方式和组成材料等而有所不同。韩层材料往往也可以根据结构原件的实际工作要求以及所受载荷情况，来调整单层材料的铺层数量和铺层角度，来使材料充分发挥作用，节约成本。1.2单层复合材料的力学分析1.2.1 单层复合材料的应力.应变关系论单向复合材料是正交的各向异性材料，并且认为横向（垂直于纤维方向）为各向同性。所以，取单向复合材料的主轴方向为纤维方向坐标1,横向（垂直于纤维方向）坐标2和坐标3。单层复合材料是很薄的一种单向复合材料，可以说单层材料是单向材料的一种。因为沿厚度方向3的尺寸很小，所以可以当成生=0,因此上面所说材料主轴方向的柔度矩阵或刚度矩阵还可以进一步简化。此时，可以仅考虑在1-2平面的应力分量1,2,r12,应变应力关系式可以简化为：f=S4 = 1f26 = 2为了表示简化起见,这里仍用与式2.1中相同的应力向量符号。和应变分量符号缶,但此时仅包含3个应力分量（2个法应力和1个剪应力）和3个应变分量（2个法应变和1个剪应变）。虽然需要考虑平面应力的状态，但与弹性力学意义上的平面应力问题性质不同。实际上此时可以存在%，R3,仅是对于正交各向异性材料。火，物与平面应力之间没有耦合关系，因此这里不考虑平面应力的影响。此时式（2.1）中的柔度矩阵简化为：式（2.4）、式（2.5）即是相关式。这里对式（2.5）中的匕2，物理意义再做一步的说明。由式（2.1）可以得到：6r1=5111+Sl22=-21-（2.6）4E2=S2<+S222=答一匕2fL（2.7）七2d由上式，在单项应力条件下，可表示：吆表示在沿1方向单向拉伸时，引起2方向收缩应变与1方向拉伸应变之比；吆表示在沿2方向单向拉伸时，引起1方向收缩应变与2方向之比。可以将（2.1）写成逆转