摘 要

碳纤维复合材料传动轴不仅质量轻，具有很好的耐磨性，耐疲劳性和破损安全性，而且阻尼减振性能好，噪声小。本文研究的碳纤维复合材料艉轴由碳纤维圆管和两端金属轴头连接而成，主要研究内容如下：

首先，明确了本文的设计要求并对碳纤维复合材料的制备工艺有了一定的认识。综合分析了层合板铺层的各项设计原则，并根据复合材料强度设计准则的特点及应用确定了本文的设计基础。

其次，完成了碳纤维复合材料圆管的铺层设计。基于铺层设计的一般原则列出多个方案，包括铺层层数，铺层角，铺层方向，铺层顺序等方面，利用有限元软件Ansys完成了静力学分析及模态分析，校验失效情况及共振情况。

再次，分析了常用的复合材料连接方式及其特点，并根据选用的胶粘剂对胶接完成了设计：按照经验公式计算了胶接的长度，对胶接部分的剪切强度完成了校核。在金属轴头的胶接部分设计与胶层同厚的轴肩，保证碳纤维管与轴头的轴线重合，并设计了相应的胶接工艺流程。

最后，轴头设计为空心。由于金属轴头部分较长，设计为空心可以减少材料，有效减重。为防止失效，在外径最小处校核其剪切强度。

关键词：碳纤维复合材料；艉轴；有限元分析；复合材料连接

Abstract

Carbon fiber reinforced plastic transmission shaft is not only of light weight, but also has good wear resistance, fatigue resistance and damage safety, and the damping performance is good and the noise is small. This paper is about the assembled carbon fiber composite screw shaft, which is made up of carbon fiber pipe and two metal shaft heads. The main contents are as follows:

First of all, the design requirements of this article are clarified. The type and preparation technology of carbon fiber composite material have been recognized. The design principles of laminated plates are comprehensively analyzed, and with the characteristics and application of composite strength design criteria, the design basis is clarified.

Secondly, the lamination design of carbon fiber composite material is completed. Based on the general principles of the lamination design, some options are listed, including the number of layers, the layer angle, the laying direction, the order of the layers and so on. The static analysis and modal analysis are carried out by the finite element analysis software ANSYS to verify the inefficiency and the resonance condition.

In the next place, the common connection methods and their characteristics of composite materials are analyzed, and the adhesive connection is designed and calculated based on the selected adhesive. According to the empirical formula, the length of the adhesive connection is determined, and the shear strength of the adhesive is checked. The adhesive part of the metal shaft head is designed with the thick shoulder shaft of the glue layer to ensure that the carbon fiber pipe coincides with the axis of the shaft head, and the corresponding bonding process is designed.

In the end, the shaft heads are designed to be hollow. Because the length is too long, the weight of the hollow shaft can be reduced effectively because of less material. In order to prevent failure, the shear strength is checked at the minimum outside diameter.

Key Words： Carbon fiber reinforced plastic；screw shaft；finite element analysis；composite material connection

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 碳纤维复合材料传动轴的国内外研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 研究的基本内容 3

第2章 碳纤维复合材料艉轴的设计基础 4

2.1 技术参数要求 4

2.2 碳纤维复合材料艉轴的材料选择 4

2.3 碳纤维增强树脂基复合材料的制备 4

2.3.1热压罐成型工艺 4

2.3.2树脂传递模塑成型工艺 4

2.3.3拉挤成型工艺 5

2.3.4缠绕成型工艺 5

2.3.5模压成型工艺 5

2.4 层合板铺层设计 5

2.4.1 层合板铺层设计的一般原则 5

2.4.2 层合板铺层设计方案初拟 6

2.5 复合材料强度设计准则 6

2.5.1 最大应力准则 7

2.5.2 最大应变准则 7

2.5.3 蔡-希尔准则 7

2.5.4 霍夫曼准则 8

2.5.5蔡-吴应力准则 8

第3章 基于ANSYS的碳纤维复合材料圆管设计及分析 9

3.1 有限元分析的基础 9

3.1.1 有限元分析法的定义 9

3.1.2 复合材料模型的单元类型选择 9

3.2 碳纤维复合材料圆管的有限元静力学分析 10

3.2. 1 定义单元和材料常数 10

3.2.2 确定失效准则 10

3.2.3 定义材料铺层设计 10

3.2.4 建模及定义边界条件 11

3.2.5 求解及后处理 11

3.3 碳纤维复合材料圆管的有限元模态分析 12

3.4 层合板铺层设计方案的分析与选择 13

第4章 碳纤维复合材料艉轴的连接设计 15

4.1 连接方式 15

4.1.1 胶接连接 15

4.1.2 机械连接 15

4.1.3 混合连接 16

4.2 连接设计 16

4.2.1 胶粘剂选择 16

4.2.2 胶接尺寸设计 16

4.3 胶接工艺 17

4.3.1 常规胶接工艺流程 17

4.3.2 表面处理 18

4.3.3 涂胶 18

4.3.4 固化 18

第5章 碳纤维复合材料艉轴的轴头设计与装配 19

5.1 轴头设计 19

5.1.1 材料选择 19

5.1.2结构设计与校核 19

5.2 CFRP艉轴的装配 20

第6章 总结与展望 21

6.1 总结 21

6.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1引言

碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced plastic）是一种新型的材料，该复合材料的增强体选用碳纤维（Carbon fiber），基体种类较多，可以是碳、金属和树脂等^[1]。其主要优点包括：

1. 比强度高，比模量大

这一项是CFRP的最大优势，在质量相等的前提下，比强度（强度与密度之比）和比模量（模量与密度之比）是用来衡量众多运动构件的非常重要的性能参数，它反映了使用该材料的结构的承载能力及其刚度性能，达到性能好且质量轻的设计目的

1. 耐疲劳性好

对材料施加交变载荷从而使其损坏，产生并扩大裂纹，这时的破坏应力较低，属于疲劳损坏。计算疲劳强度极限是可以参考为K倍的σ_t（拉伸强度），一般如果是金属材料，K为0.3～0.5，而对于树脂基CFRP，K为0.7～0.8。果长期加载交变载荷，用复合材料制成的构件工作寿命更长，破坏安全性也更大。

1. 阻尼减振性能好

结构在受力条件下的自振频率受其外表形状影响的同时还与其质料的比弹性模量平方构成正比关系。复合材料的构件通常出现共振现象，因其自振频率比较高。而且，在复合材料中，基体与纤维的接触面也可以接受和吸纳振动，从而增大了构件的振动阻尼，即便出现，也不会保持很长的时候。

1. 破损安全性好

复合材料相比过往的传统材料其破坏的过程有所不同，它会有阶段性的历程而不会发生突然的破坏。一开始是基体的损坏，随后基体开裂，基体与纤维的界面发生脱粘，最后纤维断开。如果构件载荷过大出现有少部分的纤维断开了，基体也可以传递载荷然后将其立刻分配到其它还没有被破坏的碳纤维上所以出于这一点构件整体不会在短期内丢失承受载荷的能力。

其主要缺点包括：

1. 层间强度低

无论是层间的剪切还是拉伸强度，基体材料的值都会高于以其构成的纤维增强复合材料的值。这项特性也影响了它在一些特定结构的使用：层合板容易出现分层破坏从而损坏其应用结构。所以在设计计算的过程中，需要使层间应力尽可能的小，从而避免这种分层破坏，必要时可以采用一些构造方法。

1. 材料性能的分散性大

复合材料的性能受到多方面的作用，例如基体性能、纤维性能的好坏，其性能的离散性有多大，孔，间隙，裂纹等缺陷的含量，其制备过程的准确性，成型工艺选择是否得当，制备是否在符合要求的条件下进行。

1. 树脂基复合材料的耐热性较低

如果要求长时间使用，设计时应考虑到其对工作温度的要求。就现在水平来看，高性能的低于250℃，一般的则要低于60～100℃^[2]。