基于柔性补偿机理的带膜盘复合材料传动轴一体化结构设计

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复合材料传动轴具有高比刚度、高比强度、优良的抗疲劳性能和可设计性等特点,在直升机、汽车和轮船等交通工具的传动装置中得到了广泛的应用。相比于使用金属材料联轴器或膜盘来解决传动轴不对中问题,复合材料由于具有很强的设计性和一体化成型优势,引入复合材料膜盘来实现复合材料传动轴不对中的柔性补偿具有独特的优势。 本项目围绕带膜盘的复合材料传动轴,从确定设计指标和选材出发,首先对复合材料传动轴柔性补偿进行了初步设计,建立了对应有限元计算模型,并且在数值仿真计算方面验证了初步设计的复合材料传动轴的柔性补偿特性。然后根据复合材料传动轴的初步设计结果,考虑合理的复合传动轴成型工艺参数制备了带膜盘一体化复合材料传动轴,并对其进行弯扭耦合实验测试。实验结果显示:初步设计的复合材料传动轴的柔性补偿特性满足要求,建立的有限元计算模型真实可靠。 在初步设计的基础上,以有限元模型为辅,考虑弯曲刚度和扭转刚度的需求,先对复合材料传动轴的几何参数进行优化设计:采用序列二次规划的梯度优化算法对复合材料传动轴的几何参数进行整体优化设计得到复合材料轴刚度指标随几何参数的整体变化趋势;然后采取控制变量法,对复合材料传动轴的几何参数进行单参数优化分析,明确了复合材料刚度和纤维应力随几何参数的变化规律。后对复合材料铺层进行优化设计:同样采用优化算法,得到了刚度指标与铺层角度、铺层厚度之间的变化规律。考虑传动轴的成型工艺和材料强度等因素,结合所得规律给出了一种带膜盘一体化复合材料传动轴设计方案。 最后,使用有限元模型对最终设计方案进行刚度分析和损伤分析。计算结果表明,本项目成功设计出了一种具有优良性能的带膜盘一体化复合材料传动轴。