摘 要

随着碳纤维生产工艺的不断革新，碳纤维复合材料越来越体现出其独特的应用优势。汽车的轻量化是目前一个很受关注的问题，传统的金属材质轴件质量大，抗振性能差以及临界转速低，而碳纤维复合材料轴具有比重小、比强度比模量高、阻尼减振性好、耐疲劳性能好等优异性能。碳纤维复合材料轴可以在承受相同载荷的条件下，较大程度地减重并提升最小临界转速，同时可以减少设备运转时的噪音，是金属轴的理想替代产品。

为探究碳纤维复合材料轴-钢接头连接的力学性能，本论文主要通过实验的方法，测试分析了三种接头形式和三种铺层形式对接头拉伸和扭转性能的影响。实验还测试了试样的表面应变分布情况，分析破坏时的受力情况，并且模拟计算了不同铺层形式扭转试样的应变分布情况，研究了接头的拉伸和扭转性能变化规律和表面应变变化规律，为不同载荷下碳纤维复合材料接头设计和铺层设计提供了依据。分析实验结果得到的接头形式和铺层形式对扭转和拉伸强度的影响规律如下：

胶铆连接试样扭转强度最低，纯胶接试样的最大切应力比胶铆连接试样高10-20MPa，补强试样的最大切应力比胶铆连接试样高20-30MPa。单向布管扭转强度最低，±45度缠绕管和套管因为45°缠绕层的存在，比单向布管的抗扭性能高出35-45MPa。纯胶接试样拉伸强度最低，胶铆连接和补强试样均比纯胶接试样略高，但之间相差不大。补强试样因为应力分散较好，具有最高的拉伸强度，达20MPa以上。套管和单向布管的拉伸强度较高，但套管的拉伸强度略高；±45°缠绕管拉伸强度低于正常环氧胶的强度，因为内部的环向层造成了应力集中，导致内部先发生层间剪切破坏。

Ansys模拟了三种铺层的扭转试样表面应变分布，与试验结果符合较好。轴向的应变情况比较复杂，表面各处应力分布不平均，固定端应变最大，对应的最大应力向加载端传递，三种铺层的应力传递效果差别较大。±45°缠绕管的表面应变是分布的最平均的，故其抗扭性能也最好。

关键词：碳纤维，复合材料轴，连接方法，铺层方式，力学性能

Abstract

With the continuous development of carbon fiber production technology, the application of carbon fiber composite materials is more and more extensive. Automotive lightweighting is now a very popular problem, traditional metal shaft parts is heavy, ant-vibration performance is poor and the critical speed is low, while the carbon fiber composite shaft with a small specific gravity,specific strength,specific high modulus, damping vibration, fatigue resistance performance is known as excellent performances. Carbon fiber composite materials can shaft under the same load conditions, greatly reduce weight and increase the minimum critical speed, can reduce the noise in the operation of the equipment at the same time, is an ideal alternative to metal shaft material.

To enhance the mechanical properties of composite shafts,this paper mainly focus on the experiment tests.The twist and tensile properties of three kinds of joint combinations and plys indicates the structure-property relationship.Experiment also tested the surface strain of the twist and tensile samples.We found the law between the twist, tensile strength,surface strain and the joint combination,ply conditions.Ansys was used to simulate the strain distribution of the torsion specimens with three ply forms and compared with the experimental data. The influence of the joint form and ply form on torsion and tensile strength is as follows:

The torsion strength of the specimens with glue riveting connection is the lowest, and the maximum shear stress of the samples with pure glue riveting is 10-20MPa higher than that of the samples with glue riveting connection, and the maximum shear stress of the samples with reinforcement is 20-30mpa higher than that of the samples with glue riveting connection. Unidirection tube experienced lowest torsional strength, ±45°winding pipe and casing because of the existence of 45° layer, higher than the torsional behavior of unidirection pipe 35-45 MPa. The tensile strength of the pure glue bonding sample was the lowest, and the glue riveting and reinforcing specimens were slightly higher than that of the pure adhesive bonding sample, but there was no significant difference between them. Because of good stress dispersion, the reinforced sample has the highest tensile strength, up to 20MPa. The tensile strength of drivepipe and unidirection tube is higher, but the tensile strength of drivepipe is higher. ±45°winding pipe tensile strength is lower than the strength of the normal epoxy glue, because the ring lamination inside caused the stress concentration which lead to internal interlayer shear failure occurred first.

Ansys was used to simulates the surface strain distribution of torsion specimens with three kinds of ply, which has good agreement with the test results. Axial strain of the situation is more complex, the surface stress distribution expressed uneven, fixed end strain is the largest, the maximum stress transfer towards the loading end,difference between stress transfer effect of three kinds of ply samples is bigger. is the surface strain distribution of ±45°winding pipe is the most average, so its torsional performance is the best.

Key words: CFRP, shaft, connection form, lamination form, mechanical properties

目录

第1章 绪论 1

1.1碳纤维树脂基复合材料的应用发展概况 1

1.1.1树脂基复合材料的特点 1

1.1.2碳纤维复合材料的发展概况 1

1.2复合材料-金属连接 3

1.2.1复合材料与金属连接的重要性 3

1.2.2复合材料-金属的连接形式 4

1.2.3关于复合材料连接国内外研究成果概况 5

1.3本论文的研究内容和研究价值 6

第2章 复合材料理论和模拟分析 7

2.1复合材料强度理论简介 7

2.2复合材料有限元分析方法简介 8

2.3Ansys有限元分析软件应用于复合材料 9

第3章 实验部分 10

3.1碳纤维复合材料缠绕管的制备 10

3.1.1实验原材料 10

3.1.2缠绕成型工艺简介 11

3.1.3两种复合材料管的制备 12

3.2复合材料-金属连接试样制备 14

3.2.1试样制备方法 14

3.2.2实验仪器与设备 17

3.3试样扭转与拉伸测试方法 17

3.3.1静态扭转测试 17

3.3.2静态拉伸测试 18

第4章 实验结果与分析 19

4.1试样扭转和拉伸强度计算 19

4.2接头扭转强度的影响因素分析 20

4.2.1接头连接形式对扭转强度的影响 21

4.2.2试样铺层形式对扭转强度的影响 23

4.3接头拉伸强度的影响因素分析 25

4.3.1接头连接形式对拉伸强度的影响 26

4.3.2试样铺层形式对拉伸强度的影响 27

4.4扭转试样应变有限元模拟 29

4.4.1有限元模拟分析一般步骤 29

4.4.2实际结果与模拟结果对比分析 29

第5章 结论 36

致谢 38

参考文献 39

第一章 绪论

1.1碳纤维树脂基复合材料的应用发展概况

1.1.1树脂基复合材料的特点

由两种及以上的不同物化性质材料组分复合而得的，具有优于原组分材料性能的多相材料称之为复合材料。复合材料与金属、陶瓷等普通的各项同性物质相比，多相性是其基本特点，复合材料的基本相包括基体相、界面相和增强相这三种。对于树脂基复合材料来说，所谓基体相就是树脂，是一个连续地整体，主要保护纤维不受破坏，传递材料内部的应力；纤维（玻璃纤维、碳纤维等）是复合材料的增强体，分散于树脂基体之中，纤维具有良好的轴向力学性能，是承受载荷的主要部分。界面是树脂和纤维连接的桥梁，界面相的存在使基体和纤维成为一个整体，界面连接的好坏很大程度上影响着复合材料力学性能的好坏。

树脂基复合材料不仅保留了高分子材料的性能优点，比如很低的密度、良好的耐化学腐蚀性、耐冲击性、耐疲劳性、绝缘性等性能，而且通过复合效应，纤维的高强度，基体的优异性能可以达到互补，这一特性正是复合材料所需要的。结合而成的材料的比强度比模量高、耐疲劳性能好。复合材料的特性还包括：（1）可设计性强。原材料的选择丰富，依据原材料的特性不同可以将材料设计为结构或功能复合材料；依据纤维铺层力学性能的各向异性可设计力学结构；（2）成型工艺灵活简便。随着人们对复合材料的理解越来越深入，复合材料的成型工艺日趋完善，成熟地应用的工艺就达20种以上。复合材料成型尤其是具备材料形成和成品成型同步进行的特征，可以一次性成型。复合材料的整体成型可以有效减少零件数量和部件的重量，在大飞机、船舶等大型结构中发挥着越来越重要的作用。

1.1.2碳纤维复合材料的发展概况

以碳纤维复合材料为代表的先进树脂基复合材料兴起于上世纪60年代，越来越普遍地应用于航空航天及国防、民用飞机、风电、汽车、体育用品等行业。碳纤维的密度小、拉伸强度高，是一种高品质纤维。随着生产技术的日益完善，碳纤维在要求材料轻质高强的高档轿车、高质量体育用品等领域应用越来越普遍。碳纤维是将碳含量高于90%的原丝材料加温碳化制得的，最终碳纤维的含碳量高于95%，是一种高强度、高模量的优质性能纤维材料。碳纤维是由片状微晶石墨结构沿着纤维方向排列得到的，它的各种性能突出，轴向强度高、密度低、耐腐蚀、耐蠕变、热膨胀系数具有各向异性、有良好的导热导电性，其模量是玻璃纤维的3倍、Kevlar纤维的2倍。据调查，全球碳纤维大部分是PAN基碳纤维，占比90%以上，其他原丝另有沥青基、粘胶基、酚醛基等，使用PAN原丝制得的碳纤维性能好，如可以制备航空航天用的高强度碳纤维。

美国卓尔泰克公司最早开发生产出廉价、高性能的丝束碳纤维，目前美国、日本等国掌控了高强度、高模量碳纤维生产的核心工艺，并对我国实施严密的技术保密 。相比之下，我国的碳纤维产业开展的比较缓慢，面对美日德韩等国的产品没有市场竞争力，尽管有政策的支持我国碳纤维产业的健康发展仍面临巨大的挑战。日本东丽公司研制出了一系列T300（模量230GPa，强度3500MPa）、T700、T800、T1000（模量290GPa，强度7060MPa）等高强纤维以及 M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M65J（强度只有4000MPa，但模量超过600GPa）、M70J等高模量纤维产品，在碳纤维生产领域处于领先地位，日本的碳纤维市场份额更是占世界销量的60%以上。近年来，我国在碳纤维行业有了较快的发展，“十一五”期间，我国发展了相当日本T300的碳纤维生产线，基本可以流水线生产，部分企业实现了T700百吨生产，然而国内的碳纤维仍然是应用于低端领域；2016年有报道我国已经研制出了高性能碳纤维，2018年2月我国自主研发的百吨级T1000碳纤维生产线在江苏连云港开发区投产运行，标志我国的碳纤维研发生产达到了新的水平。

先进树脂基复合材料应用在航空航天领域大大降低了飞行器结构的重量。从上世纪60年代开始，国外军机不断提高飞机的复合材料用量。开始阶段，复合材料用于舱门、口盖、整流罩、方向舵等承力小或非承力结构；然后提高复合材料用量，用于尾翼等次级承力构件；最后应用于机身、机翼等主承力构件。1976年美国开始将复合材料应用于机翼、机身等主承力构件，复合材料用量达13%。90年代，美国的B-2战斗机复合材料用量达50%，几乎机身全都是复合材料结构。在民用大飞机领域，复合材料也得到了应用，空客A380客机使用的复合材料达到总重的25%，提高了燃油效率^[1]。随着复合材料用量的提高，飞机的燃油消耗量有一个明显的下降，而且复合材料的整体成型工艺大大减少了飞机构件的数量，从工艺的角度来说化简了制造技术。产品的设计自由度大，生产周期缩短、效率提高。复合材料在航空航天领域的应用体现了先进碳纤维树脂基复合材料结构设计、工艺设计、自动化技术、检测技术的综合运用，标志着复合材料最前沿的发展。

随着汽车轻量化的提出，复合材料替代汽车金属零部件的趋势势在必行，碳纤维复合材料比强度、比模量大，是应用于汽车轻量化的理想选择。碳纤维增强树脂基复合材料可用于制造很多汽车上的零部件，与传统的铝合金相比，同体积的碳纤维环氧树脂复合材料轻质高强、减重达50%。美国TPM复合物公司采用复合材料制作的汽车，采用RTM成型工艺，重3175kg，与同尺寸的钢汽车比较减重30%，燃油耗费降低了60%^[2]。将来热塑性树脂复合材料将是复合材料在汽车工业的主流选择，我国掌握了非连续纤维复合材料成型工艺的核心技术，而且研发突破了热塑性复合材料快热压成型和快速树脂流动成型等低成本碳纤维成型工艺。相信随着热塑性复合材料的发展和复合材料快速成型流水线生产的技术突破，复合材料将会是汽车的首选材料。

传动轴是机械中的重要构件之一，主要承受轴向应力和弯曲扭转作用。传统的金属材质传动轴存在一些明显的缺点，如质量大、多段式设计、振动效应危害大等问题。对于碳纤维汽车传动轴来说，其比重小（质量比同体积的铝轴低20%、比同体积的钢轴低50%），比强度和比模量高，耐疲劳性好^[3]。碳纤维复合材料汽车传动轴只需要设计成一段式，降低了轴的重量，且振动效应与金属轴相比显著降低，可以提高汽车的减振降噪性^[4]。因而碳纤维复合材料轴是传统金属轴的良好替代品。英国GKN公司于1988首先研发了碳纤维复合材料传动轴，其研制的雷诺车用传动轴由原来的金属三段式变为复合材料金属两段式，减重40%。美国的福特公司和通用公司将碳纤维轴用于货车当中，与原来的金属轴相比，大幅度提高了轴的固有频率和系统的抗振能力，输出功率得以提高。碳纤维轴也在高速离心机、研磨机等设备中有较好的应用，良好的抗振性减少了高速摩擦产生的热量，静态和动态力学性能都有提高。

1.2复合材料-金属连接

1.2.1复合材料与金属连接的重要性

复合材料因其具有优异性能，在大飞机、飞行器、风机叶片、船舶、汽车等军工民用领域应用越来越广泛。复合材料-金属的连接成为了一个重要的研究课题。如今，在航空航天结构中，不断增大复合材料用量以代替金属材料，用于结构减重，因而复合材料在总重中的占比已成为衡量飞机先进性的重要标志之一^[5]。在工业生产之中，存在一些分离面，这些部位的载荷只能通过连接来传递，所以复合材料-金属连接具有重大科研意义。复合材料接头及复合材料-金属接头是先进航空器中的重要构件之一。据统计,飞行器结构中约70%的破坏都发生在连接处^[6]。复合材料航空结构中使用了大量的螺栓连接，如连接A380机身段约用10000个螺钉，而F-22军用机复合材料机翼使用的紧固件更是高达14000个^[7]。

要形成稳定可靠的连接结构，仅靠高性能复合材料是不够的。改善连接的稳定性和可靠性才能最大化发挥复合材料的作用。采用复合材料螺栓连接和铆接的部位需要制孔，而孔周边容易产生应力集中，且复合材料本身各向异性，层间剪切强度低，开孔处纤维首先断裂，导致连接处成为材料的应力薄弱部位，常常是整个结构发生破坏的起始点。复合材料连接分析的主要困难在于紧固件和受载孔的接触问题，连接处金属的传力机理和复合材料层合板的传力机理不协调。因此研究连接接头的失效机制、连接的强度和安全性、不同连接形式的连接效果等方面的内容，可以提高我们对复合材料-金属连接的认识，对复合材料与金属连接的设计、理论分析以及工程应用具有指导作用。

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