摘 要

艉轴是船系传动系统中的最末端的传动轴，用以连接中间轴和螺旋桨。传统的艉轴通常用钢材制作，所以质量大。而复合材料制作的传动轴不仅能达到减重的目的，还具有强度高、耐腐蚀、固有频率高等特点。所以本文考虑采用复合材料来制作艉轴，以达到减重和增加强度的目的。

由于艉轴的两端需要和轴承相配合，所以将原先的艉轴分成三段，分别加工完成后再进行装配。这样制作的艉轴需要注意的地方就是连接方式，金属轴头部分和复合材料艉轴管部分的连接方式很重要，不仅会影响到装配后艉轴的精度，还会对艉轴的强度产生影响。所以复合材料轴管和两端金属轴头的连接是本文的研究重点之一，本文对金属轴和复合材料轴管的连接方式和连接参数进行了设计和计算。除此之外还分别分析了复合材料轴和金属轴头的加工工艺，确定了复合材料轴和金属轴的加工工艺和制作路线。

本文研究的另一个重点是对艉轴的铺层参数进行设计并进行强度和刚度校核，确认改进后的艉轴是能达到工作状况下的性能要求。所以本文通过强度计算对材料进行了选择；然后结合复合材料传动轴的设计理论，对艉轴管的铺层参数进行了设计，并通过比较不同强度准则的优缺点，选择出合适的强度准则对艉轴进行强度校核，通过计算出单位长度的扭转角对艉轴管的刚度进行分析，还通过模态分析对复合材料艉轴的极限转速和振型进行了分析计算，确保艉轴的工作转速低于它的极限转速。

关键词：复合材料、碳纤维、有限元、艉轴、Abaqus

Abstract

The stern shaft is the uppermost drive shaft in the ship's transmission system for connecting the other shafts and propeller. The traditional shaft is usually made of steel, so it’s very heavy. The composite shaft of the composite material can not only reduce weight, but also has the advantages of high strength, corrosion resistance and high natural frequency. Therefore, this paper consider using the composite materials to produce stern shaft, to reduce weight and increase strength.

Since both ends of the stern shaft need to be in contact with the bearing, the stern shaft is divided into three sections, processed separately, and then assembled. It is important to note that the connection between the metal shaft and the composite shaft is important ,not only to affect the accuracy of the stern shaft after assembly but also to the strength of the stern shaft. Therefore, the connection of the composite shaft and the metal shaft at both ends is one of the focuses of this paper. The connection method and connection parameters of the metal shaft and the composite shaft are designed and calculated. In addition, the processing technology of composite shaft and metal shaft head was analyzed respectively, and the processing technology and production route of composite shaft and metal shaft were determined.

Another focus of this paper is to design the stern parameters of the stern shaft and check the strength and stiffness to confirm that the improved stern shaft is able to meet the performance requirements of the working conditions. Therefore, this paper chooses the material by strength calculation. Then, the design parameters of the stern shaft tube are designed according to the design theory of the composite shaft. By comparing the advantages and disadvantages of the different strength criterion, the appropriate strength criterion is selected. The stiffness of the stern shaft is analyzed by calculating the twist angle per unit length, and the limit speed and vibration mode of the stern shaft of the composite are analyzed and analyzed by modal analysis to ensure the work of the stern shaft The speed is below its limit speed.

Key words: Composite material; carbon fiber; finite element;shaft;ABAQUS

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究目的和意义 2

1.4 本文主要研究内容 2

1.5 本章小结 3

第2章 复合材料传动轴设计基础 4

2.1 复合材料的力学性能 4

2.2 复合材料的强度准则 4

2.3 复合材料铺层设计原则 6

2.4 复合材料连接设计原则 7

2.5 本章小结 8

第3章 碳纤维艉轴的结构设计 9

3.1 艉轴的尺寸参数设计 9

3.2 复合材料艉轴的材料选择 11

3.3 碳纤维艉轴的连接设计 11

3.4 碳纤维艉轴的铺层参数设计 13

3.5 碳纤维艉轴的工艺设计 15

3.5.1 碳纤维艉轴成型工艺 15

3.5.2 金属端加工工艺 18

3.5.3 艉轴连接工艺 19

3.6 本章小结 19

第4章 碳纤维艉轴的有限元分析 21

4.1 ABAQUS简介 21

4.2 建立有限元模型 21

4.3 碳纤维艉轴的扭转仿真及强度校核 24

4.4 材料对复合材料艉轴扭转性能的影响 25

4.5 碳纤维艉轴的模态分析 27

4.6 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 设计总结 29

5.2 设计展望 29

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

艉轴是船舶传动系统中位于系统尾部的传动轴，它的两端分别连接着联轴器和螺旋桨，将动力由发动机经减速箱和联轴器输送到螺旋桨^[1]。其结构如图1.1所示。传统的艉轴利用钢材制作，导致质量过大。

图1.1 艉轴结构图

复合材料是一种由多种材料组合成的新型材料，现已经广泛用于工业产品的生产，主要包括汽车、船舶等领域^[2]。复合材料主要有如下优点：

（1）刚度、比强度高、弹性模量大。比强度高说明在同等强度要求下它具有质量小的特点，所以被广泛用来代替金属构件以降低构件的重量，这在船舶和汽车中的应用十分广泛。而弹性模量大，则说明材料的刚性好，不容易变形^[3]。

（2）良好的抗疲劳性能。复合材料零件在产生疲劳裂纹后很难扩展，所以抗疲劳性能较高。有研究表明在受到相同的拉伸载荷时，复合材料的疲劳强度是金属材料的1.4~2倍^[4]。

（3）减振降噪性能较好、抗磁、绝缘、隔音。复合材料的比刚度较高，所以它的的自振频率也较高，在工作时就不会轻易发生共振，不容易被破坏。除此之外，复合材料的振动阻尼性能良好，所以构件的减振能力较好。而抗磁、隔音和绝缘特性在军工方面也是非常重要的性能。