復(fù)合材料傳動軸鋪層優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗疲勞性能和減振性能好等優(yōu)點，在航空航天、醫(yī)學(xué)、體育、汽車制造業(yè)和建筑領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替金屬材料制備傳動軸具有許多優(yōu)點。但是，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，各向同性材料傳動軸的設(shè)計方法不再適用，需要一種新設(shè)計方法指導(dǎo)復(fù)合材料傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和最優(yōu)化設(shè)計。
　　首先，基于幾何變形分析給出受扭工況下復(fù)合材料薄壁軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和切應(yīng)變，推導(dǎo)出直角坐標(biāo)系下復(fù)合材

2、料薄壁軸應(yīng)變的坐標(biāo)變換關(guān)系式。針對最常見的±45°鋪設(shè)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動軸，推導(dǎo)出各鋪層的纖維向應(yīng)力的解析公式?；谕瑯铀悸?，推導(dǎo)出多層任意鋪設(shè)角的復(fù)合材料軸在受扭工況下的纖維層的纖維縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力解析公式?；诮馕龉剑\用蔡-吳強(qiáng)度準(zhǔn)則可計算各纖維層的強(qiáng)度比。以上理論研究為后續(xù)的鋪層厚度及其最佳鋪設(shè)角優(yōu)化奠定了重要基礎(chǔ)。
　　其次，考慮到實際的復(fù)合材料扭轉(zhuǎn)軸具有一定厚度，利用復(fù)合材料殼體單元Shell99建

3、立參數(shù)化有限元模型，對上述解析公式給出的纖維向應(yīng)力與強(qiáng)度比進(jìn)行數(shù)值驗證。驗證結(jié)果表明:在壁厚很薄的情況下，解析公式與數(shù)值結(jié)果非常吻合。在工程中應(yīng)用的薄壁復(fù)合材料軸，本文解析公式的計算結(jié)果與實際結(jié)果偏差不大。
　　最后，分別以鋪設(shè)角為±45°的碳纖維和玻璃纖維軸為例，以各鋪層的厚度配比為優(yōu)化變量，以承載扭矩最大化為目標(biāo)函數(shù)，基于二分法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使復(fù)合材料薄壁軸的層厚配置更合理。
　　以鋪層角度和各鋪層的厚度配比為優(yōu)化變量，