详情

原文传递基于弯曲刚度的碳纤维复合材料半挂车车轴的设计与制备

论文题名：	基于弯曲刚度的碳纤维复合材料半挂车车轴的设计与制备
关键词：	碳纤维复合材料;半挂车车轴;弯曲刚度;结构设计
摘要：	半挂车是汽车运输的主力军，量大面广，承担着整个汽车运输85%以上的货运量。在半挂车中，车轴重量占半挂车重量的三分之一以上，降低车轴的质量不仅可以增加车辆行驶的平稳性，还可以降低半挂车自重，提高运费收益。　　碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是以碳纤维为增强体，树脂为基体的复合材料。与金属材料相比，碳纤维复合材料的密度仅为钢的1/5，铝合金的1/2，而比强度是两者的3到8倍，比刚度是两者的2到3倍，且具有可设计性。近年来，航空航天、轨道交通和汽车等领域中均大量使用碳纤维复合材料。因此，利用碳纤维复合材料制备半挂车车轴，能在达到减重的效果同时，使车轴具有更好的强度和刚度性能。　　半挂车车轴为非驱动轴，主要承受垂直方向上的载荷，其主要的变形形式为弯曲变形，因此，对于半挂车车轴弯曲性能的研究尤为重要。本文通过理论分析、有限元软件仿真分析和试验测试等方法依次进行研究。通过上述三种方法分别对半挂车金属车轴和碳纤维复合材料半挂车车轴进行了分析和比较。　　本文采用PowerScan-Pro2.0M三维扫描仪对半挂车金属车轴进行三维测绘，并在UG软件中建模得到金属车轴的三维模型；根据金属车轴的工况载荷情况，对金属车轴进行受力分析，得到金属车轴的挠度曲线公式，并计算得到额定载荷下金属车轴的最大变形量为1.53mm/m；将金属车轴的三维模型导入到有限元分析软件Abaqus中进行仿真分析，得到金属车轴三维模型在额定载荷下的最大变形量为1.34mm/m；对半挂车金属车轴样件进行台架试验，得到三个半挂车金属车轴样件在额定载荷下的最大变形量分别为1.97mm/m、1.67mm/m和1.80mm/m。台架试验的结果均比理论计算的结果偏大，一方面是存在试验误差，另一方面，因为在理论分析时对金属车轴的变截面进行了简化，造成理论计算时金属车轴的弯曲刚度偏大，所以理论计算的变形量结果相比于试验结果偏小。最后，利用试验结果计算出各半挂车金属车轴样件在变截面处的等效弯曲刚度。　　本文设计的碳纤维复合材料半挂车车轴由碳纤维复合材料方管和金属端胶接而成。通过对碳纤维复合材料方管的弯曲刚度分析，确定了碳纤维复合材料方管的铺层方案为{[0°]4±15°[0°]4[90°]2}11，且计算出了碳纤维复合材料半挂车车轴在额定载荷下的最大变形量为2.16mm/m；其次，建立了碳纤维复合材料半挂车车轴的三维模型，并在有限元软件Abaqus中进行了仿真分析，得到碳纤维复合材料半挂车车轴在额定载荷下的最大变形量为1.51mm/m，与理论分析的结果相比，误差为30.1%。在仿真分析中是在理想情况下建立的金属端模型，金属端模型的等效刚度会大于理论计算时采用的金属端的等效刚度，所以仿真分析的结果会小于理论计算的结果。最后，采用袋压成型和胶接工艺制备了碳纤维复合材料半挂车车轴样件，样件重量为83.7kg，与半挂车金属车轴样件相比，减重23.2%。对碳纤维复合材料半挂车车轴样件进行台架试验，得到其在额定载荷下的最大变形量为2.85mm/m，与理论分析的结果相比，误差为30.9%。对误差产生的原因进行分析，一方面是存在试验误差，另一方面，碳纤维复合材料方管在成型过程中就存在严重的分层现象，导致碳纤维复合材料半挂车车轴样件的弯曲刚度比理论计算的弯曲刚度偏小，所以造成样件的变形量偏大。
作者：	王华强
专业：	机械工程
导师：	丁国平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文