浦學(xué)銘，曾梓微，代夢(mèng)婷，盧蘇安

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碳纖維半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及失效分析

浦學(xué)銘1，曾梓微2，代夢(mèng)婷3，盧蘇安2

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)汽車與交通學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

文章根據(jù)賽事規(guī)則，使用碳纖維鋪層方法，對(duì)一類大學(xué)生方程式汽車碳纖維半軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。基于Tsai-Wu 準(zhǔn)則，借助于ANSYS有限元分析軟件對(duì)該碳纖維半軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形校核及失效分析。文章對(duì)加工出的碳纖維半軸，通過(guò)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度校核。文章設(shè)計(jì)的碳纖維半軸具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、重量輕、耐腐蝕、耐疲勞及強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

FSAE；碳纖維；傳動(dòng)系統(tǒng)；半軸；有限元

1 引言

大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱FSAE）是由大學(xué)本科生或研究生組成的車隊(duì)使用自己構(gòu)想、設(shè)計(jì)并制造完成的小型方程式賽車參加的賽事[1]。理想的FSAE賽車，應(yīng)具備優(yōu)異的性能、輕質(zhì)量及高強(qiáng)度的特點(diǎn)。賽半軸是FSAE賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)了整車傳輸動(dòng)力。相比于傳統(tǒng)的實(shí)心鋼制傳動(dòng)軸，采用碳纖維復(fù)合材料半軸具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。目前在方程式賽事上，碳纖維運(yùn)用較為廣泛，但設(shè)計(jì)成本較高。

纖維纏繞是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一種重要生產(chǎn)方法。纖維纏繞結(jié)構(gòu)通常有兩種：無(wú)緯結(jié)構(gòu)，即由同一方向纖維編織成的單向?qū)悠M成；有緯結(jié)構(gòu)，即由兩個(gè)不同方向纖維編織而成的雙向?qū)悠M成。對(duì)于有緯結(jié)構(gòu)，[+φ,-φ]纏繞易于加工，并可使制品在外載荷作用下的變形較為均勻，故不易發(fā)生翹曲，因而在工業(yè)中使用較為廣泛。然而，不同的纏繞角度以及不同角度的鋪層的鋪設(shè)次序都會(huì)影響半軸的力學(xué)性能[2-3]。

本文借助有限元分析軟件探討鋪層參數(shù)、鋪層順序和方案對(duì)半軸承扭性能的影響。考慮強(qiáng)度問(wèn)題，優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料半軸的鋪層設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料半軸的失效分析，降低了碳纖維半軸設(shè)計(jì)成本。

2 半軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力參數(shù)

本文以CBR600rr摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)FSAE賽事規(guī)則，進(jìn)排氣要求加裝20mm進(jìn)氣限流閥。經(jīng)重新標(biāo)定后最大功率為47.4（11000r/min），最大扭矩為42.4（10500r/ min）[4]。

2.2 傳動(dòng)參數(shù)

初級(jí)減速比為2.111，主減速比為3.18，一檔傳動(dòng)比為2.75，故最大總傳動(dòng)比為18.46。其它檔位減速比及總傳動(dòng)比如表1所示。一般FSAE賽車采用鏈傳動(dòng)的布置，動(dòng)力由鏈輪輸出至差速器，分配后由半軸輸出。

表1 各檔位減速比及總傳動(dòng)比

2.3 受力分析

在大學(xué)生方程式賽車中，半軸主要是全浮式結(jié)構(gòu)，只受到扭矩的影響。半軸的轉(zhuǎn)矩T可按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最低檔傳動(dòng)比確定，其計(jì)算式如下：

式中：

為發(fā)動(dòng)機(jī)至主減速器之間的傳動(dòng)系最低檔傳動(dòng)比，取18.46；η為傳動(dòng)系上傳動(dòng)部分的傳動(dòng)效率，取0.85[5]；T為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩，取42.4；為汽車的驅(qū)動(dòng)橋數(shù)目，取 1；0=1.3；為德雷克斯勒差速器轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，取0.88[6]。

根據(jù)以上參數(shù)，由式可計(jì)算得到T=761.1·。

2.4 碳纖維鋪層設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明45°鋪層有利于提高軸類零件抗扭性能[7-8]，故本案例采取0°、-45°、-45°、0°、45°、45°、0°、-45°、-45°、0°的鋪層順序，共10層，每層0.5mm，外徑36mm，長(zhǎng)度為325mm。采用的是T700S的預(yù)浸料進(jìn)行纏繞成型，T700S的材料屬性見(jiàn)表2。

表2 T700S材料屬性

3 有限元分析

3.1 有限元模型

復(fù)合材料最重要的特性是其層狀布局，各層可具有不同的材料屬性和不同的主方向[9]。本文中采用有限元分析軟件ANSYS通過(guò)ACP前處理模塊對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行鋪層建模，再聯(lián)合靜力學(xué)分析模塊施加負(fù)載分析強(qiáng)度。

圖1為所建立的ANSYS有限元分析模型。然后定義材料和鋪層參數(shù)。

圖1 有限元模型

3.2 靜力學(xué)分析

在Workbench工作臺(tái)中將ACP前處理模塊與靜力學(xué)模塊建立連接，劃分網(wǎng)格，添加約束。如圖2所示，在一端施加761.1·的扭矩，另一端添加固定約束。

圖2 網(wǎng)格劃分以及約束定義

通過(guò)計(jì)算求解，得到扭轉(zhuǎn)角云圖，如圖3所示。從圖中可看出，在加載端的單位扭轉(zhuǎn)角最大，為0.003°/m，表明采用本文對(duì)主軸設(shè)計(jì)的鋪層鋪設(shè)次序、鋪層厚度、層數(shù)，可滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。

圖3 碳纖維半軸扭轉(zhuǎn)角

可使用相關(guān)的失效準(zhǔn)則驗(yàn)證碳纖維半軸是否已經(jīng)失效——Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，ACP后處理模塊里已經(jīng)內(nèi)置有此準(zhǔn)則。得到的失效系數(shù)見(jiàn)圖4，可以看出最大失效指數(shù)為0.006＜＜1，表明碳纖維軸半軸不會(huì)失效。

圖4 碳纖維半軸Tsai-Wu失效系數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文使用NWS500型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)半軸試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測(cè)試。本試驗(yàn)機(jī)夾具采用定位套定位，螺釘帶動(dòng)滑塊夾緊的夾持方式，端頭通過(guò)粘接和螺釘?shù)幕旌线B接方式與碳纖維管體固定[10]。實(shí)物如圖5所示。

賽車跑動(dòng)過(guò)程中1檔使用較少，2檔使用頻繁，而2檔下的扭矩為550·，本實(shí)驗(yàn)機(jī)可真實(shí)模擬工況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，碳纖維半軸未發(fā)生斷裂，可滿足使用性能。

圖5 碳纖維半軸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

圖6 碳纖維半軸扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一類碳纖維半軸，經(jīng)理論計(jì)算和有限元分析失效分析，該結(jié)構(gòu)滿足使用需求。同時(shí)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)可承受實(shí)驗(yàn)機(jī)可施加最大扭矩，滿足賽車需求。因碳纖維半軸質(zhì)量比同等長(zhǎng)度與直徑的鋼制半軸輕30~40%，使其具有質(zhì)量輕、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)點(diǎn)。然而，碳纖維半軸具有加工成本較高的缺點(diǎn)。同時(shí)，碳纖維管體與兩端接頭的粘接-機(jī)械連接混合固定方式易損害碳纖維管材，需要尋找一種合適的連接方式解決此問(wèn)題，需要進(jìn)一步開(kāi)展工作。

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Structural Design and Failure Analysis of Carbon Fiber Half Axis

Pu Xueming1, Zeng Ziwei2, Dai Mengting3, Lu Suan2

( 1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013; 2.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013; 3.Jingjiang College, Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013 )

In this paper, according to the rules of the competition, the parameters of the carbon fiber half-axle structure of Formula Student China are designed by using the carbon fiber laying method. Based on Tsai-Wu criterion, the deformation checking and failure analysis of the carbon fiber semi-axle structure are carried out by means of ANSYS finite element analysis software. The strength of the processed carbon fiber semi-axle is checked by torsion test. The carbon fiber semi-axle designed in this paper has the advantages of small moment of inertia, light weight, corrosion resistance, fatigue resistance and high strength.

FSAE; Carbon fibre; Transmission system; Hollow half shaft; Finite element

U462

A

1671-7988(2019)09-72-03

U462

A

1671-7988(2019)09-72-03

浦學(xué)銘（1998-），男，本科，就讀于江蘇大學(xué)機(jī)械學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.024