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原文传递碳纤维复合材料汽车传动轴结构优化及性能评价

论文题名：	碳纤维复合材料汽车传动轴结构优化及性能评价
关键词：	碳纤维复合材料;汽车材料;传动轴;结构优化;力学性能
摘要：	本论文主要是在汽车轻量化的背景下，针对量产车型，采用碳纤维复合材料研制其主要结构件传动轴并对复合材料传动轴进行结构优化与性能评价。重点采用 DSC（差示扫描量热法）、流变测试、万能试验机以及TG（热失重分析仪）开展了快速成型缠绕树脂表征和选择；利用经典层合板理论开展有限元分析，研究了不同纤维铺层角度、直径对碳纤维复合材料传动轴的模态的影响，并与有限元相结合开展了相关工艺研究，进行复合材料传动轴的结构优化；利用SEM（扫描电子显微镜）、静态扭转、固有频率测试、临界转速测试以及金相显微镜方法表征了碳纤维复合材料传动轴的微观及力学性能。　　原材料性能评价。通过恒温和升温 DSC测试分析确定双组份X4201A/B环氧树脂和单组份BAC177环氧树脂的固化工艺条件分别为50℃/200min+86℃/70min+127℃/40min和77℃/130min+103℃/50min+146℃/30min，玻璃化转变温度分别为126℃和155℃；通过流变测试确定X4201A/B与BAC177的加工温度控制在40℃和60℃；通过环氧树脂浇筑体力学性能测试得到X4201A/B与BAC177环氧树脂的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和冲击强度分别为69MPa、2.98GPa、125MPa、15.84KJ/m2和71MPa、2.92GPa、120MPa、14.44 KJ/m2；通过TG测试得到X4201A/B与BAC177的分解温度分别为255℃与350℃；通过万能试验机测试以 BAC177环氧树脂为基体的碳纤维复合材料样条的拉伸强度、拉伸模量以及层间剪切强度分别为123GPa、1.6GPa和55MPa；根据质量法测试得到碳纤维复合材料NOL环纤维体积含量为56％；通过SEM观察拉伸断面，发现树脂与纤维的界面结合性能较好，满足缠绕成型技术要求。BAC177的耐热性与可操作性由于X4201A/B树脂，因此选用BAC177。　　传动轴结构优化设计。采用三维制图软件 CATIA建立钢制汽车传动轴的三维数学模型以及复合材料传动轴用的内径分别为50mm、70mm和80mm的金属凸缘叉结构，导入有限元软件 ANSYS Workbench中建立传动轴有限元分析模型，对传动轴的模态进行分析，得到钢制传动轴的前六阶模态频率以及振型。以内径为80mm的复合材料传动轴为模型，设计五种铺层方式，结果表明碳纤维复合材料传动轴的固有频率随着碳纤维缠绕角度的增加而减小；对三种不同内径的复合材料传动轴按照相同的铺层方式铺层，得到碳纤维复合材料传动轴的固有频率随着内径的变大而增加，且内径为70mm和80mm的碳纤维复合材料传动轴的固有频率大于钢制传动轴，可以达到传动轴的临界转速性能要求。　　传动轴成型及其性能评价。采用纤维缠绕成型工艺成型不同内径的碳纤维复合材料传动轴，并且对其性能进行评价。通过固有频率测试得到50mm、70mm和80mm的碳纤维复合材料传动轴的固有频率分别为64.38Hz、76.25 Hz和80.00 Hz，其仿真频率与实测频率的比值分别为2.4、2.1和2.1，结果较为趋于稳定，可以通过仿真计算初步指导复合材料传动轴的工艺制定；通过临界转速测试得到内径为50mm、70mm和80mm的传动轴的临界转速分别为3500r/min、4300r/min好和4400r/min，临界转速测试与理论临界转速的比值分别为90.6、93.9和91.7，其结果大约为理论临界转速的90%，属于正常的误差范围之内；静态扭转测试得出50mm和80mm传动轴的扭矩分别为2525NM和6062NM；通过动态平衡校准将传动轴的左右动不平衡量控制在260gmm，满足性能要求；金相显微镜观察结果表明，复合材料纤维与树脂分布较为均匀，符合稳定、批量化缠绕成型工艺要求。
作者：	陶雷
专业：	材料加工工程
导师：	韩克清
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文