一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法技术

本发明专利技术公开一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法，属动力传输结构件设计领域。其步骤如下：选择复合材料体系和金属材料；获取传动轴等效弹性模量E和等效剪切模量G；公式计算确定其最小结构尺寸；以[φ]＞φ为条件进行校核；用有限元软件ANSYS对轴体进行结构分析及铺层优化；对铺层优化进行校核；对轴体作整体结构分析；是否满足螺栓应力＜[σ0]，接触应力CF＜Xt/2条件；保存铺层组合和连接方式。该结构呈圆柱形空心状，由两端金属法兰和中空的复合材料轴体联接构成；本设计方法无需制实体模型，分析过程经济、迅速，具有自由度和灵活性；简单易操作；缩短产品开发周期>50％,降低产品成本>20％，提高复合材料结构的材料利用率>80％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种传动轴结构的设计方法，具体讲是一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法，属于动力传输结构件设计领域。
技术介绍
复合材料以其优良的轻质高强、抗腐蚀、耐疲劳、可设计等特性，已成为目前轻量化工业产品的首选材料。在航空航天、交通运输、石油化工和环保防腐等工业中，传动轴是重要的动力传输设备。由于复合材料传动轴与传统的金属传动轴相比，具有自重轻，同规格产品可减重50％以上、高临界转速、低噪音、结构为逐步破坏的特点。在实际应用中，复合材料传动轴可有效地提升能源动力的利用率、环境舒适性和安全使用寿命。近年来汽车、风电、冷却塔、船舶等工业低能耗要求的提出，使得安全高效传动轴的需求日益旺盛，极大地推动了复合材料传动轴的发展；为了适应市场需求，复合材料传动轴的结构设计已成为业内技术人员研究关注的热点。传动轴结构设计是将材料通过设计合理的空间布局而实现其结构上的承载等功能，满足一定周期的安全服役要求。由于材料性能的不同，所采用的结构形式和尺寸，以及载荷传递路径的具体设计上都有很大差别。传统的大扭矩复合材料传动轴(传递扭矩大于50kNm)设计主要包括基于金属轴的经验尺寸设计和实验试制等，其中经验尺寸设计存在设计人员经验积累的束缚和工艺稳定性限制等缺陷；而实验试制也极易受生产经验的影响延长设计周期，严重增加了复合材料传动轴的成本。具体讲，传统大扭矩复合材料传动轴的结构设计中，复合材料轴体结构和法兰连接方案均需通过大量有限元数值分析获得，依据分析结果确定出大概的结构尺寸和法兰连接方案。该设计方法存在以下缺陷：对于有限元数值分析来说，多变量因素使得结构分析需要大量的工作以保证分析结果的合理性，且大大受限于结构分析效率和模型精度。对于实验研究来说，虽然可以得到合理的设计结果，但前提是需要制造出实体模型，耗时耗费，且灵活性较差。
技术实现思路
为了解决现有大扭矩复合材料传动轴结构复杂且不能充分发挥材料潜力，设计周期长且尺寸不合理等缺陷，本专利技术的目的是提出一种将公式计算与有限元数值分析相结合的大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法，包括步骤如下：1)确定大扭矩复合材料传动轴所需扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]、选择采用的复合材料体系和金属材料；2)依据单向板性能估算层合板等效性能，获得传动轴等效弹性模量E和等效剪切模量G；3)公式计算分析获得大扭矩复合材料传动轴的外直径D和内直径d；确定其最小结构尺寸；4)以[φ]＞φ为条件进行校核；同时满足2项条件，取其中的最大值作为设计值进入步骤5)，并计算总螺栓剪切面积A；其中一项不满足，则返回步骤3)；其中，T/Wt为最大应力，φ为扭转变形量，[τ0]为金属材料剪切许用应力；5)采用限元软件ANSYS对所设计复合材料轴体进行结构分析，并进行铺层优化；6)以相邻铺层角度变化＜45°；相邻铺层应力变化＜Xc/3为条件对步骤5)的铺层优化进行校核；同时满足2项条件，进入步骤7)；其中一项不满足，则返回步骤5)重新进行铺层优化；7)采用有限元分析软件ANSYS对所设计复合材料轴体进行整体结构分析；优化改进连接方案；8)步骤7)优化连接方式同时满足螺栓应力＜[σ0]，接触应力CF＜Xt/2二项条件时，进入步骤9)；其中一项不满足，则重新优化连接方式；9)将优化连接方式保存，输出结构尺寸、铺层组合和连接方式；其中，步骤1)所述大扭矩复合材料传动轴的扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]的确定由服役工况确定；步骤2)所述单向板性能常数由复合材料手册查询确定；所述层合板等效性能的估算为：将所述单向板以不小于25％±90°铺层，不小于50％±50°铺层，不小于10％±30°铺层，其余为±10°铺层组合成层合板，并依据层合板计算方式分析其面内等效性能常数，再由该层合板面内等效性能常数获得所述传动轴轴体的等效弹性模量E和等效剪切模量G；步骤3)的公式计算是指计算扭矩载荷T作用下复合材料轴体满足抵抗失稳和变形要求的最小结构尺寸；步骤4)同时满足2项条件，还需利用公式A＝2T/D[τ0]计算复合材料轴体与金属法兰间扭矩传递所需的螺栓剪切面积A；其中T为扭矩载荷，D为轴体的外直径，[τ0]为金属材料的剪切许用应力；步骤7)的整体结构分析是指依据连接螺栓的剪切计算公式确定复合材料轴体与金属法兰连接所需的螺栓直径B和螺栓数量n，即n＝4A/πB2，依据螺栓间距不小于4B，排距不小于3B的原则初步确定出螺栓的布置方式，进行优化连接方式的确定。上述步骤1)所述的服役工况由用户提出；根据已确定的扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]和大扭矩传动轴的长度l，确定复合材料体系选用适合缠绕工艺用的碳纤维环氧体系；金属材料选用高强钢材料；其中，缠绕工艺以缠绕轴向为0°方向。上述步骤2)所述的单向板性能是根据步骤1)选定的碳纤维环氧体系，用复合材料手册查询获得该碳纤维环氧体系相对应单向板的性能常数；由层合板面内等效性能常数计算获得所述相同铺层方式复合材料轴体的等效模量E，代入公式：E＝Ex0.375Ey0.625；和等效剪切模量G，代入公式：G＝E/(1-VyxVxy)0.625；其中，下标x、y分别表示传动轴的轴向和环向。其中，单向板的性能常数为：纤维方向弹性模量E1、纤维横向弹性模量E2、面内泊松比V12、面内剪切模量G12；所述复合材料层合板的面内等效性能常数为：纵向弹性模量Ex、横向弹性模量Ey、泊松比Vxy，剪切模量Gxy。上述步骤3)中，最小结构尺寸确定方式如下：①依据步骤2)确定的等效弹性模量E和等效剪切模量G，由复合材料手册查询获得所选用复合材料纤维方向的拉伸强度值Xt，代入公式α＝d/D，估算所需复合材料传动轴轴体的最小结构尺寸；②按照轴体扭转变形计算公式计算其扭转变形量小于扭转变形允许量[φ]，即[φ]＞φ；其中，T/Wt为轴体最大应力，Wt为轴体的截面属性，T为扭矩载荷，l为轴体长度，D为轴体的直径，G为轴体材料等效剪切模量；同时满足和[φ]＞φ条件为所述复合材料传动轴轴体的最小结构尺寸。上述步骤5)中的结构分析是指将步骤2)获取的复合材料单向板的性能常数，输入至有限元软件ANSYS中，对每个单元定义包含100个铺层，其中铺层材料和方向组合依据15％±10°铺层，10％±30°铺层，50％±50°铺层，25％±90°对其铺层和方向进行定义，0°方向为轴向方向，其中轴体的最内层和最外层须为90°铺层；所述的铺层优化是指对大扭矩复合材料传动轴的轴体在载荷T作用下结构响应的分析；即：比较上述相邻铺层的角度变化和相邻铺层的应力变化，若角度变化小于45°，应力变化小于Xc/3符合要求进入步骤7)；若角度变化大于45°或应力变化大于Xc/3，则重新铺层优化。上述的重新铺层优化是指在角度变化大于45°或应力变化大于Xc/3的相邻铺层之间添加过渡角度的铺层。上述步骤7)所述的整体结构分析是指依据所确定螺栓数量和排列方式，建立大扭矩复合材料传动轴的整体模型，确定优化连接方式；步骤8)所述重新优化连接方式是指：校核所述大扭矩复合材料传动轴在扭矩载荷T作用下的结构响应，确定所用的螺栓直径B；若螺栓应力大于其材料许用应力[σ0]，则增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法，包括步骤如下：1)确定大扭矩复合材料传动轴所需扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]、选择采用的复合材料体系和金属材料；2)依据单向板性能估算层合板等效性能，获得传动轴等效弹性模量E和等效剪切模量G；3)公式计算分析获得大扭矩复合材料传动轴的外直径D和内直径d；确定其最小结构尺寸；4)以[φ]>φ为条件进行校核；同时满足2项条件，取其中的最大值作为设计值进入步骤5)，并计算总螺栓剪切面积A；其中一项不满足，则返回步骤3)；其中，T/Wt为最大应力，φ为扭转变形量，[τ0]为金属材料剪切许用应力；5)采用限元软件ANSYS对所设计复合材料轴体进行结构分析，并进行铺层优化；6)以相邻铺层角度变化＜45°；相邻铺层应力变化＜Xc/3为条件对步骤5)的铺层优化进行校核；同时满足2项条件，进入步骤7)；其中一项不满足，则返回步骤5)重新进行铺层优化；7)采用有限元分析软件ANSYS对所设计复合材料轴体进行整体结构分析；优化改进连接方案；8)步骤7)优化连接方式同时满足螺栓应力＜[σ0]，接触应力CF＜Xt/2二项条件时，进入步骤9)；其中一项不满足，则重新优化连接方式；9)将优化连接方式保存，输出结构尺寸、铺层组合和连接方式；其中，步骤1)所述大扭矩复合材料传动轴的扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]的确定由服役工况确定；步骤2)所述单向板性能常数由复合材料手册查询确定；所述层合板等效性能的估算为：将所述单向板以不小于25％±90°铺层，不小于50％±50°铺层，不小于10％±30°铺层，其余为±10°铺层组合成层合板，并依据层合板计算方式分析其面内等效性能常数，再由该层合板面内等效性能常数获得所述传动轴轴体的等效弹性模量E和等效剪切模量G；步骤3)的公式计算是指计算扭矩载荷T作用下复合材料轴体满足抵抗失稳和变形要求的最小结构尺寸；步骤4)同时满足2项条件，还需利用公式A＝2T/D[τ0]计算复合材料轴体与金属法兰间扭矩传递所需的螺栓剪切面积A；其中T为扭矩载荷，D为轴体的外直径，[τ0]为金属材料的剪切许用应力；步骤7)的整体结构分析是指依据连接螺栓的剪切计算公式确定复合材料轴体与金属法兰连接所需的螺栓直径B和螺栓数量n，即n＝4A/πB2，依据螺栓间距不小于4B，排距不小于3B的原则初步确定出螺栓的布置方式，进行优化连接方式的确定。...

【技术特征摘要】
1.一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法，包括步骤如下：1)确定大扭矩复合材料传动轴所需扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]、选择采用的复合材料体系和金属材料；2)依据单向板性能估算层合板等效性能，获得传动轴等效弹性模量E和等效剪切模量G；3)公式计算分析获得大扭矩复合材料传动轴的外直径D和内直径d；确定其最小结构尺寸；4)以[φ]>φ为条件进行校核；同时满足2项条件，取其中的最大值作为设计值进入步骤5)，并计算总螺栓剪切面积A；其中一项不满足，则返回步骤3)；其中，T/Wt为最大应力，φ为扭转变形量，[τ0]为金属材料剪切许用应力；5)采用限元软件ANSYS对所设计复合材料轴体进行结构分析，并进行铺层优化；6)以相邻铺层角度变化＜45°；相邻铺层应力变化＜Xc/3为条件对步骤5)的铺层优化进行校核；同时满足2项条件，进入步骤7)；其中一项不满足，则返回步骤5)重新进行铺层优化；7)采用有限元分析软件ANSYS对所设计复合材料轴体进行整体结构分析；优化改进连接方案；8)步骤7)优化连接方式同时满足螺栓应力＜[σ0]，接触应力CF＜Xt/2二项条件时，进入步骤9)；其中一项不满足，则重新优化连接方式；9)将优化连接方式保存，输出结构尺寸、铺层组合和连接方式；其中，步骤1)所述大扭矩复合材料传动轴的扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]的确定由服役工况确定；步骤2)所述单向板性能常数由复合材料手册查询确定；所述层合板等效性能的估算为：将所述单向板以不小于25％±90°铺层，不小于50％±50°铺层，不小于10％±30°铺层，其余为±10°铺层组合成层合板，并依据层合板计算方式分析其面内等效性能常数，再由该层合板面内等效性能常数获得所述传动轴轴体的等效弹性模量E和等效剪切模量G；步骤3)的公式计算是指计算扭矩载荷T作用下复合材料轴体满足抵抗失稳和变形要求的最小结构尺寸；步骤4)同时满足2项条件，还需利用公式A＝2T/D[τ0]计算复合材料轴体与金属法兰间扭矩传递所需的螺栓剪切面积A；其中T为扭矩载荷，D为轴体的外直径，[τ0]为金属材料的剪切许用应力；步骤7)的整体结构分析是指依据连接螺栓的剪切计算公式确定复合材料轴体与金属法兰连接所需的螺栓直径B和螺栓数量n，即n＝4A/πB2，依据螺栓间距不小于4B，排距不小于3B的原则初步确定出螺栓的布置方式，进行优化连接方式的确定。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤1)所述的服役工况由用户提出，根据已确定的扭矩载荷T、扭转变形允许量[φ]和大扭矩传动轴的长度l，确定复合材料体系选用适合缠绕工艺用的碳纤维环氧体系；金属材料选用高强钢材料；其中，缠绕工艺以缠绕轴向为0°方向。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：步骤2)所述单向板性能根据步骤1)选定的碳纤维环氧体系，用复合材料手册查询获得所述碳纤维环氧体系相对应单向板的性能常数；由层合板面内等效性能常数计算获得所述相同铺层方式复合材料轴体的等效模量E，代入公式：E＝Ex0.375Ey0.625；和等...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄其忠，胡照会，高红成，王鹏飞，彭玉刚，
申请(专利权)人：北京玻钢院复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11