劉硯文

摘要：在大學(xué)生方程式大賽中，隨著傳統(tǒng)鋼管懸架的沒(méi)落，碳纖維及鋁支架等新型的懸架必將代替鋼管懸架。碳纖維懸架與之前的鋼管懸架相比既減輕了質(zhì)量，又有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：碳纖維懸架;大學(xué)生方程式;Ansys.

從成本、強(qiáng)度、強(qiáng)量化等綜合因素考慮，碳纖維管及鋁支架等新型懸架勢(shì)必將逐步替代鋼管懸架。而隨著各家車(chē)隊(duì)動(dòng)力的提高，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性也要隨之提高，必然要求更大程度的輕量化，需要對(duì)碳纖維與連、接裝置的連接方式及連接前強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，以保證碳纖維懸架能滿足方程式賽車(chē)使用要求。

一、碳纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)介

碳纖維復(fù)合材料一般由碳纖維布和樹(shù)脂通過(guò)不同的加工工藝制成，相比于傳統(tǒng)的鋼材和塑料，碳纖維材料有以下優(yōu)點(diǎn)：

（一）較高比量和比強(qiáng)度

該材料單位質(zhì)量的強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼等金屬材料，在滿足剛強(qiáng)度條件下使用碳纖維復(fù)合材料可以減輕質(zhì)量近四倍，尤其相對(duì)于汽車(chē)而言，減少質(zhì)量是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性的重要途徑。對(duì)于賽車(chē)，整車(chē)質(zhì)量更是非常重要，尤其是簧下質(zhì)量，通過(guò)降低簧下質(zhì)量降低輪胎運(yùn)動(dòng)慣性，提高懸架動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而提高整車(chē)操穩(wěn)性和平順性。

（二）材料柔韌度較好

由于樹(shù)脂具有較好的流動(dòng)性，在加工時(shí)能隨著加工件表面流動(dòng)，因而能制造形狀復(fù)雜的零部件。

二、碳纖維桿件粘接設(shè)計(jì)

（一）連接方式與膠粘劑的選擇

在我們進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)之前，首先要選擇一種碳纖維管和金屬接頭之間的連接方式，連接方式大致有三種：機(jī)械連接、膠粘連接、混合連接。綜合考慮，膠粘連接在低載荷情況下，只要能保證粘接區(qū)域加工精度，是可以保證粘接效果的，同時(shí)做出來(lái)的成品件使用零件較少，質(zhì)量較輕，制造工序簡(jiǎn)單加工成本低，所以我們選用膠粘連接的方法。

DP460粘接劑在使用時(shí)，室溫30°C左右60min 內(nèi)即可以達(dá)到使用強(qiáng)度，抗剪切強(qiáng)度可以達(dá)到4500 MPa，正常工作溫度范圍為零下55°C到120°C，而且各項(xiàng)性能均滿足賽車(chē)的運(yùn)行工況和使用要求。

（二）碳纖維管和鋁接頭選擇

根據(jù)計(jì)算的懸架桿件受力情況，以及各種材料的獲取和加工方便性，我們選擇了3K碳纖維纏繞型的碳纖維管材和7075鋁加工的鋁接頭。

選用的碳纖維管規(guī)格為外徑18mm，壁厚2mm，由于接頭在實(shí)際加工過(guò)程中可能存在誤差，或者打磨不均勻造成的粘接歪斜，導(dǎo)致不同軸帶來(lái)的影響將導(dǎo)致桿端受力時(shí)存在切向分力影響膠粘強(qiáng)度，并且也會(huì)影響硬點(diǎn)裝配，導(dǎo)致裝配誤差產(chǎn)生。于是設(shè)計(jì)時(shí)在接頭靠近桿端處設(shè)置 0.1mm 的凸臺(tái)使其與碳桿過(guò)盈配合，這樣可以在碳纖維內(nèi)壁經(jīng)過(guò)打磨后仍能保持碳纖維管與鋁接頭的同心度，保證了粘接層的均勻性。桿端軸承與鋁接頭通過(guò)螺紋連接，內(nèi)部打成通孔，這樣在可以避免在粘接時(shí)空氣被封鎖在管內(nèi)，進(jìn)而在膠接層內(nèi)形成氣泡。通過(guò)調(diào)整鋁接頭的外徑可以修改粘接層的厚度，調(diào)整鋁接頭的長(zhǎng)度修改粘接層的長(zhǎng)度，接著進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

（三）正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于影響膠粘強(qiáng)度的可能性因素有膠水長(zhǎng)度、膠水厚度，表面粗糙度，環(huán)境溫度等，影響因素比較復(fù)雜，在這種實(shí)驗(yàn)情況下我們采用正交實(shí)驗(yàn)法。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證膠水長(zhǎng)度與厚度關(guān)系，確定碳纖維桿與膠接接頭粘接強(qiáng)度，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，并得出最優(yōu)方案。同時(shí)計(jì)算懸架桿端許用載荷，與膠粘強(qiáng)度對(duì)比，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)可靠性，確定方案可行性。

2.實(shí)驗(yàn)所需材料及器材

1）膠粘劑 DP460

2）若干碳纖維桿件粘接樣品。

3）拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)（如圖4.4）

3.實(shí)驗(yàn)流程

1）確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，根?jù)膠水長(zhǎng)度厚度加工若干實(shí)驗(yàn)鋁接頭

2）準(zhǔn)備相同規(guī)格的碳纖維管件

3）80 號(hào)砂紙輕微打磨膠接接頭及碳纖維管內(nèi)壁（增大表面粗糙度，增大粘接面積）。

4）重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄所有接頭失效反力峰值并整理出正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。

三、拉伸仿真

（一）定義 czm 材料

在 workbench 中定義膠水 DP460 材料屬性（如圖4.5），考慮本案例是拉伸脫膠，故采用 modeⅡ分離方式，設(shè)置人工阻尼大小為 0.001（此處必須小于自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)），根據(jù) DP 模型材料參數(shù)，設(shè)置最大滑移應(yīng)力為 1Mpa。

（二）邊界條件及后處理

導(dǎo)入碳桿及膠接接頭三維模型并選用solid186高階六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在邊界條件中構(gòu)建膠粘關(guān)系。

定義邊界條件，固定碳纖維桿，對(duì)接頭施加強(qiáng)迫位移，后處理中輸出強(qiáng)迫位移帶來(lái)的反力，以達(dá)到模擬拉伸實(shí)驗(yàn)的目的。為驗(yàn)證膠水厚度對(duì)膠接強(qiáng)度的影響，我們分別做了膠水長(zhǎng)度 30mm、厚度 0.1/0.2/0.3mm 的仿真，仿真結(jié)果如下圖4.7、4.8、4.9所示。其中橫坐標(biāo)為強(qiáng)迫位移量，縱坐標(biāo)為位移帶來(lái)的膠水反力值。我們通過(guò)對(duì)比峰值來(lái)校核膠粘強(qiáng)度并總結(jié)規(guī)律，旨在優(yōu)化接頭設(shè)計(jì)達(dá)到更高的膠粘強(qiáng)度。

四、結(jié)論

仿真期間只做了膠水長(zhǎng)度30mm，厚度0.1mm、0.2mm、0.3mm的分析，反力峰值分別為33713N、26940N、20761N。根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)看膠水在0.1mm厚度是強(qiáng)度最高的，在實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)中，厚度選擇上只選擇了0.1/0.2/0.3mm，并沒(méi)有繼續(xù)增加厚度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為31948N、24180N、18382.5N。誤差分別為5.5%，11%、12%。仿真數(shù)據(jù)皆高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到做實(shí)驗(yàn)實(shí)際粘接過(guò)程中可能存在工藝的問(wèn)題導(dǎo)致膠水不均勻、產(chǎn)生氣泡等因素而降低了粘接強(qiáng)度，誤差實(shí)際上更小。

此次仿真為本車(chē)隊(duì)做設(shè)計(jì)提供了巨大的好處，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)明白膠水厚度與強(qiáng)度之間關(guān)系，因而做實(shí)驗(yàn)時(shí)更加注重0.1-0.3的膠水厚度，極大降低了時(shí)間及成本，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)，更加驗(yàn)證了仿真的可靠性與準(zhǔn)確性。

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