[发明专利]一种大扭矩复合材料传动轴结构的设计方法

摘要

本发明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％。

主权项

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的扭矩载荷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；扭矩载荷T和扭转变形允许量[φ]的确定由服役工况确定；2)依据单向板的性能常数估算层合板的等效性能，获得大扭矩复合材料传动轴轴体的等效弹性模量E和等效剪切模量G；单向板的性能常数由复合材料手册查询确定，层合板的等效性能的估算为：将单向板以不小于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层合板的面内等效性能常数，再由该层合板的面内等效性能常数获得等效弹性模量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轴体的外直径D和内直径d；确定复合材料传动轴轴体的最小结构尺寸；公式计算是指计算扭矩载荷T作用下复合材料传动轴轴体满足抵抗失稳和变形要求的最小结构尺寸；4)以[φ]>φ为条件进行校核；同时满足二项条件，取复合材料传动轴轴体的外直径D和内直径d的最大值作为设计值进入步骤5)，并计算复合材料传动轴轴体与金属法兰之间扭矩传递所需的螺栓剪切面积A，A＝2T/D[τ₀]；其中一项不满足，则返回步骤3)；其中，T/Wt为复合材料传动轴轴体最大应力，φ为扭转变形量，[τ₀]为金属材料剪切许用应力，Xt为复合材料体系的纤维方向拉伸强度；5)采用限元软件ANSYS对复合材料传动轴轴体进行结构分析，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；同时满足二项条件，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；其中，Xc为复合材料体系的纤维方向压缩强度；7)采用有限元分析软件ANSYS对复合材料传动轴轴体进行整体结构分析和优化连接方式；整体结构分析和优化连接方式是指依据连接螺栓的剪切计算公式确定复合材料传动轴轴体与金属法兰连接所需的螺栓直径B和螺栓数量n，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；8)步骤7)优化连接方式同时满足螺栓应力＜[σ₀]，复合材料传动轴轴体与金属螺栓之间的接触应力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；其中，[σ₀]为螺栓材料许用应力，Xt为复合材料体系的纤维方向拉伸强度；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。