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自修复技术对复合材料齿轮性能影响的研究

作　者: 纪晓钢
导　师: 张力
学　校: 北京工商大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 自修复微胶囊 复合材料 齿轮 注射模具 有限元分析 实验分析
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
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内容摘要


根据自修复微胶囊在聚合物中的修复机理,将其加入到E-玻纤增强的尼龙6复合材料齿轮中,分析研究微胶囊对齿轮的力学性能、振动噪声性能以及使用寿命的影响。通过双螺杆挤出机,用尼龙6、E-玻纤、填料、自修复微胶囊进行造粒,采用注塑工艺,制备出两组E-玻纤增强的尼龙6齿轮用于对比研究。通过模具分析选择模具类型、注射模具结构、模具材料与相关参数,最终确定注射模具的结构,绘制加工图,制造注射模具。对于聚合物粘弹性进行理论分析,通过三种模型的分析,定量的给出聚合物蠕变、松弛、能量变化以及应力-应变的关系,为复合材料齿轮在抗冲击、抗磨损及减振降噪方面的分析提供理论依据。通过三维绘图软件Pro/E,利用其参数化设计功能,完成齿轮的三维建模过程。利用有限元分析软件ANSYS将Pro/E中建立的齿轮及其装配模型导入其中进行有限元受力分析及模态分析。对比分析表明,加入微胶囊后,轮齿的最大应力略有改变,降低比例为0.31%,而各阶固有频率也都稍有下降,下降幅度最大为3.8%。利用LMS Test.Lab振动噪声测试软件,研究了齿轮的模态性能,结果表明加入微胶囊后,齿轮的各阶固有频率略有下降,最大降幅为3.06%,而阻尼比则有所增大;对齿轮表面进行了硬度测试,结果表明加入微胶囊后齿轮的硬度稍有降低,平均降低了3.37%;对齿轮材料试样进行了冲击试验,对比发现,加入微胶囊后材料的缺口抗冲击性能有所降低,平均降低2.88%;对齿轮材料样件进行了摩擦噪声试验,对比发现,加入微胶囊的齿轮材料在各个温度及频率的声压级大部分要低于不加微胶囊的材料,含有微胶囊试样的A计权声压级要比不含微胶囊的低4~5dB。对比研究结果表明,加入少量微胶囊后对于玻纤增强尼龙复合材料的力学性能和振动噪声影响很小;同时,少量自修复微胶囊加入到玻纤增强尼龙材料中有较好的分散性和相容性,可修复齿轮中的疲劳点蚀裂纹等缺陷,利于延长齿轮的寿命和降低成本。因此,复合材料齿轮加入微胶囊具有可行性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-15
  1.1 聚合物基复合材料  9-10
  1.2 聚合物基复合材料齿轮  10-11
  1.3 自修复微胶囊在聚合物中的修复机理  11-12
  1.4 自修复技术在复合材料齿轮中的应用  12-13
  1.5 课题研究方案  13-15
第二章 微胶囊自修复齿轮用复合材料设计和成型工艺  15-26
  2.1 基体材料设计  15-17
  2.2 增强材料设计  17-19
  2.3 微胶囊  19-21
  2.4 造粒  21-24
    2.4.1 原料与设备  21-22
    2.4.2 玻纤处理  22-23
    2.4.3 造粒工艺  23-24
  2.5 成型工艺设计  24-26
第三章 玻纤增强尼龙6 齿轮模具的设计制造与齿轮制备  26-36
  3.1 模具类型的选择  26
  3.2 注射模结构  26-27
  3.3 注射模材料与参数校核  27-33
    3.3.1 模具材料选用  27-28
    3.3.2 注射参数校核  28-30
    3.3.3 浇注系统设计  30-31
    3.3.4 脱模机构设计  31-33
  3.4 模具制造  33-34
  3.5 齿轮制备  34-36
    3.5.1 注射工艺设备  34
    3.5.2 齿轮注射成型  34-36
第四章 聚合物的力学性能  36-46
  4.1 尼龙的力学模型分析  36-37
  4.2 Maxwell 模型  37-40
    4.2.1 Maxwell 的松弛现象  37-38
    4.2.2 Maxwell 模型的动态力学行为  38-39
    4.2.3 Maxwell 模型的应力-应变分析  39-40
  4.3 Voigt 模型  40-43
    4.3.1 Voigt 模型的蠕变现象  40-41
    4.3.2 Voigt 模型的动态力学行为  41-42
    4.3.3 Voigt 模型的应力-应变分析  42-43
  4.4 三元素模型  43-45
  4.5 小结  45-46
第五章 玻纤增强尼龙6 齿轮的有限元分析  46-60
  5.1 基于Pro/E 的齿轮三维参数化模型  46-49
    5.1.1 Pro/E 软件  46-47
    5.1.2 齿轮参数化建模  47-49
    5.1.3 齿轮的装配  49
  5.2 有限元法与ANSYS  49-52
    5.2.1 有限元法  49-51
    5.2.2 ANSYS  51-52
  5.3 ANSYS 接触计算分析  52-57
    5.3.1 ANSYS 中齿轮模型的建立  52-53
    5.3.2 参数设定与分网  53-54
    5.3.3 接触面的设定  54-55
    5.3.4 加载求解  55-57
  5.4 ANSYS 模态分析  57-59
    5.4.1 理论模态分析  57
    5.4.2 基于ANSYS 的模态分析  57-59
  5.5 结论  59-60
第六章 含微胶囊的玻纤增强尼龙6 齿轮的实验分析  60-72
  6.1 基于LMS 的锤击模态振动试验  60-62
    6.1.1 锤击模态试验理论  60
    6.1.2 锤击模态试验方案  60-62
  6.2 齿轮洛氏硬度试验  62-63
  6.3 齿轮材料冲击性能试验  63-66
    6.3.1 冲击试验机  63-64
    6.3.2 冲击试验样件  64-65
    6.3.3 结果与分析  65-66
  6.4 齿轮材料振动噪声试验  66-71
    6.4.1 试验原理  66-67
    6.4.2 试验设备  67-68
    6.4.3 试验过程  68
    6.4.4 数据提取与分析  68-71
  6.5 小结  71-72
第七章 结论与展望  72-74
  7.1 结论  72
  7.2 展望  72-74
参考文献  74-76
发表论文与科研成果清单  76-77
  在研期间发表的论文  76
  在研期间参加科研项目  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械零件及传动装置 > 机械传动机构 > 啮合传动 > 齿轮及齿轮传动
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