1. 研究目的与意义（文献综述）

一、本课题的研究目的和意义

碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced plastic, cfrp）是由碳纤维与其它集体材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它除了保持原材料的特点以外，还具有比强度和比模量高、材料柔韧度好、抗疲劳性能好、减震性能好、破损安全性能好、成型工艺性能好等诸多优点。目前，纤维增强复合材料在传动轴中使用日益广泛，它所具有的各种优异性能也日益凸现，与传统的金属传动轴相比，其具有轻质高强、低振动、低噪声、易维修、节约能源等特点。例如，船舶用传动轴特别需要考虑降低成本，选择使用玻璃纤维比较合适；飞机用传动轴对减重的要求更高，在高载荷低重量的状况下大多选择碳纤维复合材料；汽车用传动轴采用金属铝与复合材料混合，复合材料一般选用碳纤维增韧环氧树脂，复合材料与金属管之间的绝缘层一般采用玻璃纤维复合材料。^[5]

2. 研究的基本内容与方案

一、主要研究内容

1.1、设计碳纤维传动轴的结构形式

碳纤维复合材料传动轴由碳纤维直筒、复合材料法兰、膜片、轮毂、紧固件等部件组成。为了设计出的传动轴能满足实际生产的需要，以某型号工业领域用传动轴主要技术指标为例，设计出能满足其强度、刚度要求的金属碳纤维复合材料增强传动轴。^[10]设计参数如表1。

表1 传动轴设计参数

重型机床传动轴的设计参数
额定扭矩N.M	最大扭矩N.M	最高转速r/min	轴向最大位移mm	径向最大偏移mm	扭矩角/全长	主电机功率KW	主轴扭矩N.M	长度mm
15000	22500	2500	0.95	32.9	0.5°	105	9500	4500

2.2、完成碳纤维传动轴的理论计算及校核

基于国内外文献资料综述，虽然在碳纤维传动轴的理论设计和仿真研究有很大的进展，但是其中所作的数字化模型大多是不准确的。所以本文的主要目标在于准确建立出碳纤维传动轴的模型以便于后续的仿真分析。在仿真分析中通过对碳纤维传动轴进行运动仿真分析测量出诸如位置、速度、加速度等运动特征，对其的强度和刚度进行校验。

2.3、铺层设计

本次设计选用的复合材料的基体是环氧树脂。根据增强材料和树脂基体的选择要求，本文选择 T300/5208 碳纤维/环氧树脂作为碳纤维复合材传动轴的制作材料。T300/5208 的工程弹性参数如表2中所示。

表2 T300/5208 碳纤维复合材料性能参数^[8]

纵向杨氏模量 EL/GPa	横向杨氏模量 EL/GPa	纵向泊松比 VL	纵向剪切模量 GLT/GPa
181	10.3	0.28	7.17

2.4、连接结构设计

复合材料传动轴的接头连接方式有很多种，主要分为三大类：胶结、机械连接、混合连接。Lawson Mackellar ^[11]等人发明连接复材管与环形部件的胶结连接方法，该方式很适合轴与法兰段连接或两根轴连接成一个整体更长的轴。齿形与胶粘混合连接方式可有效传递扭矩并提高疲劳强度和冲击性能。Tetsuyuki Kyono^[11]等人发明复材管与连接件的齿形连接方式，将连接件与复材管进行压力配合，使得连接件的齿形与轴管的环箍内表面进行咬合。理论和实验研究表明该连接方法使传动轴具有渐进失效机制和防撞功能。Sherman Lin ^[11]等人开发的凸缘整体连接方式使轴在承受弯曲载荷和扭矩方面具有优势，突破了设计极限扭矩，并已经成功用于直升机尾部传动轴。

二、采用的技术方案及措施

2.1、仿真建模

针对轴的结构形式设计，首先通过轴的设计参数要求，查阅相关资料后计算出碳纤维直筒、复合材料法兰、膜片、轮毂、紧固件等部件的相关参数，再应用Solidworks2016软件建立碳纤维传动轴的相关零件模型并将其装配。装配图大致如图1所示。

图1 传动轴结构形式草图

2.2、有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS14.0来进行有限元分析。其中包括了静力学的分析与模态分析，其目的是在于研究碳纤维传动轴是否会在不同激振条件下发生共振进而产生严重破坏，并探究不同参数对其力学性能的影响。

2.3、有限元铺层设计

利用有限元分析软件ANSYS14.0进行碳纤维复合材料传动轴的铺层设计。根据薄壳的定义，可以将碳纤维复合材料传动轴简化成薄壳结构。^[8]由于结构比较简单可以直接在ANSYS WORKBENCH中建立模型进行分析。ANSYS有限元分析内容: ( 1) 通过建立有限元分析模型，计算出复合材料传动轴的固有频率，进而求解传动轴的临界转速；( 2) 通过有限元方法进行求解，获得抗扭截面系数和单位长度扭转角，从中对比选择性能最好的铺层方案；（3）利用ANSYS进行轴的振型分析，检验轴的设计是否满足要求。

2.4、计算连接参数

通过研究分析对比各种形式的连接方式，考虑到设计方案以及制造成本，根据复合材料层合板的一般连接方法及其优缺点和使用情况，本文选用混合连接方式，即胶结和螺钉混合连接。胶结设计包括套合长度和胶层厚度，机械连接设计包括孔径直径、螺钉直径、螺钉数量、端距和行距。^[12]

三、研究手段

针对以上研究内容确定如下研究手段：（1）文献研究法：通过知网、万方等数据库搜集整理相关研究资料，了解碳纤维传动轴的相关技术和应用为研究做准备；（2）软件仿真法:用软件对碳纤维传动轴进行有限元分析与运动仿真分析，探讨各结构参数对碳纤维传动轴的传动性能影响。

四、预期成果

（1)设计碳纤维复合材料重型机床传动轴，包括铺层设计和连接结构设计，完成装配图和零件图；

(2)利用ANSYS软件进行碳纤维复合材料重型机床的强度和刚度分析。

3. 研究计划与安排

第1-2周，收集查阅与设计题目相关的资料，选定需要翻译的外文资料；

第3-4周，拟定设计方案，完成开题报告，进行外文资料的翻译；

第5-8周，碳纤维复合材料重型机床传动轴的铺层设计和连接设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]杨敏超.某重型卡车碳纤维复合材料传动轴的设计[j].科技与创新,2017(11):25-26.

[2]宋宇. 复合材料传动轴铺层优化设计[d].天津工业大学,2017.