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面向地铁风机叶片轻量化的复合材料特性研究
| 论文题名： | 面向地铁风机叶片轻量化的复合材料特性研究 |
| 关键词： | 地铁通风系统;风机叶片轻量化;复合材料;性能表征 |
| 摘要： | 地铁作为一种高效便捷的公共交通工具，具有载客量大、快速准时和污染小等优点，可以有效缓解大城市交通拥堵的问题。地铁通风系统作为地铁系统重要组成部分，是地下环境与地上空气交换的动力装置，为地铁正常运行和地铁环境控制提供了保证。目前地铁通风机叶片主要应用的材料是铸造铝合金，地铁通风系统每天要运行长达20h，占地铁系统总能耗的50%。复合材料具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强的特点，将复合材料应用到地铁风机叶片中，对地铁通风机的节能减排和风机性能的提升明显，因此地铁风机叶片的轻量化复合材料研究具有很好的工程应用价值。 通常地铁风机应具有空调通风和消防排烟的功能，地铁风机叶片的材料应具备耐热性能，通常要求在高温250℃风机叶片可以工作2h，同时对于地铁风机叶片的制造也需要考虑经济效益。基于以上地铁风机叶片设计要求，采用有限元仿真与实验相结合的方法对地铁风机叶片轻量化材料进行研究。本文的主要研究内容如下： 首先，针对地铁风机叶片轻量化材料设计了4种方案，研究这四种方案在地铁风机叶片应用的可行性。根据国家标准确定了地铁风机叶片轻量化材料试验件的结构尺寸，基于复合材料力学理论和地铁风机叶片受力分析，建立了复合材料与金属复合的力学模型，确定了复合材料与铝合金复合的失效判据，为下面的有限元分析做准备。 其次，针对地铁风机叶片轻量化材料方案建立有限元模型，利用ABAQUS有限元软件对试验件工况载荷下的变形情况仿真分析，以及轻量化材料试验件的抗拉强度研究。研究结果表明：所设计的四种方案均可在工况载荷下正常工作，方案3在强度与刚度表现上良好；四个方案的抗拉强度均满足设计要求——达到了铸造铝合金抗拉强度310MPa。 最后，本文对地铁风机叶片轻量化材料分别进行了未经高温处理的层合板抗拉强度测试和经过高温250℃保温2h后层合板的抗拉强度测试。实验结果表明：通过未经高温处理的地铁风机叶片轻量化材料方案试验件抗拉强度的测试，四个方案的实际抗拉强度都达到设计要求，再与仿真结果对比，误差在15%以内，在可接受范围之内；通过对高温处理后的轻量化材料方案抗拉试验，四个方案的抗拉强度均满足地铁风机叶片运行时的强度，方案1的抗拉强度未受到影响，方案2至4的抗拉强度分别下降了6.1%、13.0%、11.9%。 从工艺角度和强度看，方案1可以满足地铁风机叶片的耐高温性能，工艺性良好，可为地铁风机叶片质量减轻30%，经济效益高；而方案3在地铁风机叶片工况下的刚度性能表现较好，耐高温性能满足设计要求，方案3可以为地铁风机叶片质量减轻22.2%。 |
| 作者： | 马泽超 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 胡业发 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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