摘 要

压缩螺旋弹簧在各个行业有着广泛的应用，尤其在汽车行业是一种很常见的基础零件。与传统金属材料相比，纤维增强复合材料具有比强度高、重量轻、比模量高、抗疲劳性能好、减震性能好等优点，因此纤维增强复合材料在未来的发展中将会成为主流趋势，因此设计一种一款车用纤维增强复合材料弹簧有重要意义。本文在VAIL工艺基础上提出一种两步方法制造一种用于设计、计算和分析的汽车悬架碳纤维复合材料压缩螺旋弹簧,,并且讨论了纤维增强体的结构,弹簧的刚度、强度理论分析和有限元分析。其主要内容有：

首先对国内外复合材料压缩螺旋弹簧研究现状进行了了解，然后以日本东丽公司所生产的M40J碳纤维为原材料对汽车悬架弹簧进行设计、计算，并对其进行刚强度的理论分析以及对复合材料压缩螺旋弹簧的有限元模态分析和静强度分析。

分析了伸直平行、合股加捻、包缠三种纤维增强材料的结构，并对其制备方法进行了阐述。同时，讨论了纤维增强体结构和纤维含量对纤维和树脂在弹簧簧丝横截面上分布的影响。最后介绍了基于VAIL技术的复合材料压缩螺旋弹簧的成型工艺和模具设计。

关键词：复合材料；压缩螺旋弹簧；纤维增强体；VAIL;ABAQUS

ABSTRACT

Compression springs are used in various industries, and are one of the most common basic components, particularly in the automotive industry.The fiber reinforced composite is higher in strength, lighter，than high modulus, good fatigue resistance and shock absorption performance advantages, has a very broad prospect in the future development, so to design a kind of a car for fiber reinforced composite spring has important significance. Based on the VAIL process, this paper proposes a two-step method for making the compression spiral spring of carbon fiber composite material, designs, calculates and analyzes the automobile suspension spring, discusses the structure of the fiber reinforced body, and carries out theoretical analysis and finite element analysis of the spring stiffness. Its main contents include:

Based on the M40J carbon fiber produced by Toray Industries, Inc, the

automobile suspension spring was designed and calculated, The researchers analyzed the rigidity and strength of the material in theory, while analyzing the compressed spring of the composite material in finite yuan mode and static strength analysis.

The structure of the three kinds of fiber-reinforced materials was analyzed, and the method to prepare them was introduced. The influence of fiber reinforced structure and fiber content on the distribution of fiber and resin on the cross section of spring wire was studied. Finally, the forming process and die design of composite material compression coil spring based on VAIL technology are described.

Key words:composite materials;compression coil spring;carbon

fiber-reinforceme;VAIL;ABAQUS

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2复合材料车用弹簧研究现状 1

1.2.1车用弹簧基本介绍 1

1.2.2复合材料螺旋弹簧国内外研究现状 2

1.2.3复合材料车用螺旋弹簧研究意义 3

1.3复合材料概述 3

1.4本文研究内容 3

第2章 复合材料螺旋弹簧的结构设计 4

2.1设计的强度与刚度模型 4

2.1.1复合材料螺旋弹簧模型 4

2.1.2强度与刚度分析 5

2.2结构参数的初始设计 8

第3章 复合材料弹簧制作工艺 9

3.1金属材料弹簧制备 9

3.2复合材料螺旋弹簧制备工艺 9

3.2.1复合材料螺旋弹簧制备工艺流程 9

3.2.2真空辅助成型工艺 10

3.3复合材料螺旋弹簧制备前准备 10

3.3.1制备所需的原料和设备 10

3.3.2计算纤维体积含量 11

3.3.3制备纤维增强体 11

3.3.4配胶 11

3.3.5树脂真空脱泡 11

3.3.6模具的选择 11

3.3.7纤维的填充过程 11

3.4树脂向模具的注入装置 12

3.5树脂注入 12

3.6拆卸装置并密封固定模具 12

3.7固化 13

3.8后固化 13

3.9脱模及后处理 14

第4章 簧丝用纤维增强体的设计与制备^[3] 15

4.1伸直平行结构 15

4.2合股加捻结构 15

4.3包缠结构 16

4.4纤维增强体捻向的设计 17

4.5本文复合材料螺旋弹簧的制备 18

第5章 基于ABAQUS压缩螺旋弹簧基本力学的有限元分析 20

第6章 结论 25

参考文献 26

致谢.........................................................................29

1. 绪论

1.1研究背景

随着科技的进步与社会的发展，人类生存的环境由于能源消耗量的逐年增加日益恶化。并且现代社会随着汽车行业不断的发展，使得交通领域所消耗的能源占比日益增加，而随之带来的后果就是汽车的排放越来越严重导致对环境的污染也是随之增加。因此实现

汽车的低碳化与节能减排是未来汽车发展的一种必然趋势。并且人们的生活水平随着社会的发展而提高的同时，对汽车的稳定性、安全性以及舒适性的要求也随着社会的发展而升高。

对于汽车来说，在强度和安全性能得到保障的前提下，汽车的轻量化、汽车结构的优化、先进的制造工艺将是提高汽车动力性以及实现节能减排的最主要方法。其中汽车的轻量化对于实现对汽车各种要求来说是效果最显著的，而实现轻量化的主要措施就是采用轻质材料。

弹簧是一种广泛应用于汽车中的基础零件，对于目前汽车弹簧所采用的传统金属的强度和弹性极限要求较高，并随着对其刚度和强度要求的增加，传统金属对应力集中的敏感性和自重下自发断裂的趋势也有所增加。并且对于汽车弹簧来说，硬度过低会导致其复位能力降低，甚至导致弹簧功能丧失。一旦出现故障往往会导致车的某个功能失效，甚至更严重的后果。并且传统金属制造的弹簧质量大以及弹簧性能的提升随着自身材料的限制也逐渐达到了瓶颈。