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车用复合材料传动轴研究

作　者: 邹准
导　师: 袁象恺
学　校: 东华大学
专　业: 材料学
关键词: 碳纤维传动轴环氧树脂铺层设计有限元法
分类号: U465.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文采用经典层合板理论和有限元方法,设计和制备了一种用于动力传输的复合材料传动轴,以期代替传统的钢材车用传动轴。首先,确立了复合材料的树脂体系配方和固化制度。选用E-56环氧树脂、甲基六氢苯酐作为固化剂、聚乙二醇缩水甘油醚作为增韧剂、DMP-30作为促进剂,系统研究了碳纤维湿法缠绕工艺用中温环氧树脂固化体系。研究了增韧剂用量对环氧树脂体系粘度的影响,30℃时,增韧剂添加量从0%增加到30%时,E-56环氧树脂的粘度从4795mPa·s下降为589 mPa.s。采用非等温DSC法研究了环氧树脂体系固化反应动力学,Kissinger方程计算的固化反应表观活化能为62.60 kJ/mol,而Ozawa方程计算的固化反应活化能为68.36 kJ/mol,两者计算结果相近,验证了Kissinger方程和Ozawa方程的准确性。固化反应级数为0.9106,说明该固化反应为复杂反应。体系凝胶时间为106.77℃、固化温度为134.25℃、后处理温度为155.91℃,而80℃时,反应速率只有0.003,120℃时,反应速率达到0.03,最终选择80℃/2h+120℃/4h+80℃/1h作为环氧树脂固化制度。设计了浇铸体模具以及6种不同配方,对环氧树脂浇铸体力学性能进行研究。最终确定固化剂用量85%、增韧剂用量15%、促进剂用量1%的配方作为缠绕用环氧树脂配方,此配方浇铸体的弯曲强度达到94.67MPa,冲击强度达到2.34KJ/m2。然后,采用经典层合板理论以及有限元方法,对复合材料传动轴进行铺层设计,研究不同铺层角度、铺层厚度以及铺层顺序对于传动轴性能的影响。经典层合板理论表明,增加0度铺层,可以增加复合材料传动轴的轴向模量,从而提高其固有频率；增加45度铺层,能提高复合材料传动轴的扭矩；增加90度铺层,能够使复合材料传动轴铺层更密实以及增加摩擦,可以能够提高扭转屈服力。非对称铺层下,铺层顺序对复合材料传动轴性能有影响；对称铺层下,铺层顺序对复合材料传动轴性能没有影响。而有限元仿真模拟表明,铺层顺序对频率没有影响,而对扭转屈服力有一定的影响。屈曲分析中,复合材料传动轴两端的Mises应力较大,分布面积较小,极容易产生破坏；中间靠近两端部位Mises应力次之,作用面积大；中间部位Mises应力最小。最后,以环氧树脂体系、T700碳纤维为原料,设计了6种不同铺层,采用纤维缠绕工艺,制备了内径30mm、壁厚2mm,长710mm的碳纤维传动轴,设计专门夹头并组装,进行扭矩测试。扭转测试表明,5号铺层[90/15/-15/15/-15/-45/45/-45/45/90]的碳纤维传动轴的扭矩最大,达到551Nm。扭转试验表明,在铺层角度比例完全相同的情况下,不同铺层顺序影响着碳纤维传动轴的扭矩。碳纤维传动轴扭断后,碳纤维分层断裂,变成一束束的碳纤维,具有很高的安全性。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-22
  1.1 复合材料传动轴简介  11-12
  1.2 国内外发展现状  12-18
  1.3 复合材料传动轴应用  18-20
  1.4 本文研究内容及意义  20-22
第二章环氧树脂体系研究  22-34
  2.1 环氧树脂概述  22
  2.2 本章主要内容  22-23
  2.3 实验  23-26
  2.4 结果与讨论  26-33
  2.5. 本章小结  33-34
第三章复合材料传动轴设计  34-51
  3.1 经典层合板理论  34-37
  3.2 复合材料传动轴设计理论  37-38
  3.3 本章主要内容  38-39
  3.4 传动轴设计算例  39-41
  3.5 结果与讨论  41-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章复合材料传动轴的有限元分析  51-62
  4.1 有限元分析简介  51
  4.2 本章主要内容  51-52
  4.3 有限元分析算例  52-56
  4.4 结果与讨论  56-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章复合材料传动轴制备  62-71
  5.1 本章主要内容  62
  5.2 实验  62-66
  5.3 结果与讨论  66-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章结论与展望  71-73
  6.1 结论  71
  6.2 展望  71-73
参考文献  73-76
符号含义  76-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  78-79
致谢  79

车用复合材料传动轴研究

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