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碳纖維復(fù)合材料彈簧的優(yōu)化

為減輕汽車自身質(zhì)量，采用復(fù)合材料代替鋼鐵，但需要對這種替代材料進(jìn)行大量的優(yōu)化設(shè)計，才能得到令人滿意的材料參數(shù)，最終達(dá)到鋼鐵的剛度。研究中采用了數(shù)值計算和模擬仿真試驗，以確定復(fù)合材料的厚度等參數(shù)，采用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的彈簧能夠達(dá)到鋼彈簧的質(zhì)量，從而可替代鋼彈簧以減輕車身質(zhì)量。首先，計算復(fù)合材料的剪切模量和材料厚度，并將這些參數(shù)進(jìn)行試驗對比。然后，利用彈簧剛度系數(shù)方程計算剪切模量和設(shè)計變量，通過這些變量獲得適合的厚度參數(shù)和彈簧截面直徑。最后，對由上述方法得到的彈簧參數(shù)進(jìn)行驗證，并采用有限元分析法進(jìn)行彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

采用碳纖維和環(huán)氧樹脂制成的彈簧，經(jīng)試驗得到了以下結(jié)論：①復(fù)合材料的等效剪切模量根據(jù)逆扭轉(zhuǎn)角和剪切模量之間關(guān)系進(jìn)行估計，通過估計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合材料中含有16.8％的鋼鐵，且逆轉(zhuǎn)角度在45°左右時，這種彈簧的剪切模量預(yù)測值和試驗數(shù)據(jù)比較一致；②基于有限元分析，逆扭轉(zhuǎn)角度為45°時，線徑為17mm復(fù)合材料制作的螺旋彈簧質(zhì)量能夠被減輕55％。

刊名：Composites Part B（英）

刊期：2015年第1期

作者：Bok-Lok Choi

編譯：劉剛