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原文传递单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的数值模拟与实验研究

论文题名：	单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的数值模拟与实验研究
关键词：	汽车螺旋弹簧;复合材料;玄武岩纤维;纳米二氧化硅;压缩性能
摘要：	随着汽车轻量化的发展，对汽车零部件的综合性能提出了更高的要求。螺旋弹簧是减少车辆振动和冲击的重要部件，但是常规的金属螺旋弹簧质量大并且抗腐蚀性差，阻碍了汽车整体性能的提升。因此，聚合物基纤维增强复合材料螺旋弹簧因其具有优异的比刚度、比强度和良好的耐腐蚀性而受到广泛关注。本文利用有限元与实验测试结合的方法研究了单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧。通过有限元模拟分析出在弹簧线径为12mm时其压缩性能达到最优时的弹簧中径尺寸和弹簧螺距尺寸，通过实验测试了该尺寸下螺旋弹簧的压缩性能并且与有限元仿真进行对比分析，又通过改变弹簧簧丝的结构以及往基体中加入纳米二氧化硅的方法对该尺寸下螺旋弹簧的压缩性能完成进一步优化。本文的具体研究内容如下：　　（1）以12mm的弹簧线径为基准，建立了不同螺距、不同中径的螺旋弹簧模型，模拟了结构参数的变化对螺旋弹簧的压缩性能的影响。分析发现，随着复合材料螺旋弹簧的螺距的增加，弹簧的螺旋角度增加，相同的压缩载荷下轴向变形量越小，弹簧刚度呈线性增加。但是，当螺距大于42mm时，弹簧簧丝的剪切强度安全系数小于临界值，发生横向失效。随着螺旋弹簧中径的减小，螺旋弹簧的弯矩和曲度系数减小，相同的载荷下其变形量越小，弹簧刚度呈指数增长。然而，当弹簧中径小于90mm时，弹簧簧丝的剪切强度安全系数小于临界值，且簧丝纤维的拉伸Hashin失效准则值高于临界值，弹簧簧丝失效。所以，当弹簧中径为90mm，弹簧螺距为42mm时，线径为12mm的单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧具有最优的压缩性能。同时，不同结构参数弹簧簧丝的横向剪切模量和轴向拉伸模量基本保持不变，说明改变弹簧中径和弹簧螺距不会对簧丝的模量产生影响。　　（2）基于有限元优化的结构参数，通过实验制作了单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧和螺旋弹簧簧丝棒材，分别分析了螺旋弹簧刚度、弹簧簧丝横向剪切应力应变关系和轴向拉伸应力应变关系，并且与有限元结果对比论证。通过施加与有限元相同压缩载荷，测试所得平均弹簧刚度和平均压缩位移分别为4.74N/mm和50.82mm，与有限元结果相比其误差分别为11%和2.9%，且最大压缩量下螺旋弹簧无失效现象；弹簧簧丝在剪切力的作用下逐渐失效，但到达其轴向拉伸极限时表现为突然的脆断。弹簧簧丝平均剪切模量和平均拉伸模量分别为7.59GPa和33.63GPa，与有限元结果相比其误差分别为10.14%和2.88%。因此，本文对单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的压缩性能的仿真分析合理有效。　　（3）为了进一步提高复合材料螺旋弹簧的刚度，基于有限元分析优化的结构参数，借助仿生思想仿照了原胶原蛋白的独特结构，通过实验的方法分别制备了两股和四股纤维束相互编织的复合材料螺旋弹簧簧丝，测试得其螺旋弹簧的刚度分别为6.67N/mm和7.46N/mm，与未改变结构的单向纤维增强复合材料螺旋弹簧相比其刚度分别提高了37.81%和54.13%。但是，弹簧簧丝的交织点处存在应力集中和树脂富集现象，导致螺旋弹簧较容易出现裂纹，使其疲劳性能降低。为了在提高弹簧刚度的基础上改善复合材料螺旋弹簧的疲劳性能，又制备了添加纳米二氧化硅颗粒的玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧。当纳米二氧化硅的含量为0.4wt%时，螺旋弹簧的压缩性能最佳，其弹簧刚度和疲劳性能比无纳米二氧化硅改性的螺旋弹簧分别高出52.1%和43.5%。性能的提高可归因于：纳米二氧化硅均匀的分布提高了纤维与基体的界面粘结性能，减小了纤维的自由度；同时，增加了复合材料内部的界面面积，促使了应力由基体向纳米二氧化硅颗粒的转移。
作者：	孙延标
专业：	材料工程
导师：	韩奇钢;胡冬梅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文