碳纤维缠绕层对纤维缠绕复合材料轴扭转特性的影响外文翻译资料

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碳纤维缠绕层对纤维缠绕复合材料轴扭转特性的影响

摘要

复合材料被认为在众多的应用中成为结构材料并替代金属材料方面很有前途。轴是被用于航空航天和汽车结构中，因此用复合材料轴代替常规轴是一种可行的选择。空心轴可以使用采用环向和螺旋缠绕层的纤维缠绕技术来制造。纤维缠绕技术具有多种优势，例如通过结构的连续纤维和连续制造的能力。以前，研究人员已经研究过复合材料轴；而本研究则阐明了缠绕层类型对扭转特性的重要性。本文报道了碳纤维缠绕层对纤维缠绕复合材料空心轴扭转特性的影响。轴是使用具有连续碳纤维粗纱和环氧基质材料的纤维缠绕技术制造的，并使用了扭转测试机进行了测试。使用通用商业有限元软件ABAQUS进行了演示，以论证轴在扭转载荷中的作用。结果表明，扭转测试所得的值与已开发的有限元模型一致。得出的结论是，在纤维缠绕复合材料轴中，与环向缠绕层相比，螺旋缠绕层提供更高的硬度和更大的抗扭力。

关键词：复合材料；碳纤维；空心轴；纤维缠绕

1. 引言

复合材料正在逐步取代航空航天和汽车的许多结构部件。诸如轴之类的部件需要很高的抗扭强度，同时又不影响重量。轴主要用于将旋转运动从一个部件传递到另一个部件。一般来说，金属轴用于各种工程系统中以提供足够的强度。这些金属轴具有许多限制，例如重量较重，允许的转速低以及减振特性差。为了克服金属轴的局限性，可以使用复合材料来制造轻质轴以提高性能^[1-4]。复合材料特别是碳纤维具有轻质，高强和出色的耐腐蚀性能，使用寿命长^[5,6]。此外，碳纤维在用作连续纤维时（例如在纤维缠绕应用中）效果更好[7]。

过去的研究人员表明，复合材料轴在各个领域都具有广阔的应用前景。亨利等^[8]利用轻质和高强度的复合材料设计用于航空航天应用的旋翼机轴。Rao等^[9]分析了用于汽车的复合材料螺旋桨，并得出结论，与传统的钢轴相比，复合材料具有更好的扭转性能。George Marsh^[10]研究了复合材料轴的潜在应用，特别是船舶应用。研究强调，复合材料轴不仅可以减轻重量，还可以降低系统的复杂性。该研究还总结了在游轮和救生艇中使用专门由碳纤维制成的轴的许多在役应用。在复合材料轴的其他应用中，汽车行业是主要的。以前的研究^[11-16]已经表明，主要由碳纤维组成的复合材料轴可以成功地用于传动轴应用。

由于轴主要承受扭转和弯曲载荷，因此扭转特性是用复合材料替代常规金属的前提。Reddy和Nagaraju^[17]研究了复合材料轴的重量优化。在轴的制造中使用了不同类型的复合材料，以评估优化的性能。研究得出的结论是，与传统的钢制汽车轴相比，由碳/环氧复合材料制成的空心轴的重量减轻了97％。传统轴是由坚固的材料制成的；研究人员^[18-20]报告说，实心轴可以用空心复合材料轴代替，以得到更好的性能并减轻重量。

在过去的几年中，研究人员研究了各种参数对复合材料轴的扭转行为的影响。Sevkat等^[21]研究了扭转应变率和堆叠顺序的影响。通过添加添加剂可以增强复合材料的性能。在另一项研究中^[22]，他使用纤维缠绕技术制造了复合材料轴，并进行测试以研究纤维的影响。研究得出的结论是，与其他增强纤维相比，碳纤维具有最大的抗扭强度。在另一项研究中，Sevkat and Tumer^[23]使用纤维缠绕技术制造了具有不同增强组合和螺旋模式的多种轴。通过落锤测试仪，复合轴在各种能量水平下受到冲击，以此研究由于冲击引起的破坏导致的抗扭强度降低。有限元模拟被用来预测非冲击复合轴的扭扭角关系。

其他一些研究人员使用了洋麻纤维^[24]等添加剂和碳纳米管^[25]作为增强材料，并得出结论，这些添加剂可用于调整复合材料轴的性能。此外,Porter等^[26]。研究了通过螺旋强化磁冻结铸造开发的ZrO2-环氧树脂复合材料。结论是，通过螺旋强化可以实现强度的显著增加。

以前的研究人员已经研究了使用纤维缠绕技术制成的具有不同增强材料组合的复合材料轴。然而，没有发现有关缠绕模式及其对扭转性能的直接影响的报道工作。出于制造目的，缠绕层及其取向是主要因素，因此本研究详细阐述了螺旋和环向缠绕对轴的扭转性能的影响。

这项研究制造了缠绕层层数和方向顺序不同的复合材料轴。文献表明复合材料轴已经被制造出来，并且已经得到了可喜的结果。然而，本文直接研究了诸如环向和螺旋的缠绕层对扭转特性的影响，提供了实验设计以表达以前没有报道过的增加螺旋和环向层的效果。由于碳纤维显示出高强度，因此它与环氧基体一起用作增强的首选材料。研究包括采用纤维缠绕工艺设计和制造碳纤维空心轴，设计中还包括螺旋和环向缠绕模式的组合。为了保持圆周方向上的结构完整性，需要环向缠绕和螺旋缠绕。随后对制成的轴进行硬度和扭转性能测试，以确定最大扭矩。最后，比较了结果以展现复合层取向对空心轴扭转性能的影响。

1. 实验

2.1、有限元分析

以前的一些研究者^[27-29]使用有限元分析模拟了复合材料轴。该方法包括使用经典的层压理论将复合材料可视化，在其中将复合材料视为以一定角度定向的各种层的组合。因此，有限元分析是开发用于结构应用的复合材料轴的基础。此外，Velosa等^[30]得出结论，有限元分析是预测复合材料强度的强大工具，特别是对于纤维缠绕结构。

研究的第一步是使用计算机辅助工程技术对设计进行分析。层状结构中复合材料的有限元分析被广泛用于分析轴的性能。本研究中用ABAQUS系统开发了复合材料轴的模型，并在该模型上进行了虚拟实验。轴的模型是根据实际尺寸生成的。图1中显示了CAD中已开发模型的图形视图以及其网格特征。模型的尺寸：长度为300毫米，内径为20毫米。网格配置包括大约0.0046的元素大小，并且使用网格敏感度分析将元素数量优化为1690。分析过程是更改元素的大小，直到获得恒定的参数值（例如应力）为止。

图1 ABAQUS软件所得轴的CAD模型 表1 实验设计的因素和水平值的详细信息

在轴上进行了确定扭转行为的虚拟实验。表1 给出了针对该研究而变化的参数的详细信息。可变参数包括层数和层类型。这项研究的常数参数包括材料类型，铺层方案和取向角。在选择材料时，选择了用环氧树脂浸渍的碳纤维，因为它们的强度比其他增强材料更高。缠绕方案被锁定为环向和螺旋层之间的交替顺序，取向角为plusmn; 45°.选择这个取向角的理由是当在轴上施加扭矩时，材料内会产生剪切应力，而取向角为45°的纤维可提供最佳的抗剪切力。而且，需要交替的顺序来保持结构刚度和周向强度以及剪切强度。

上下层数分别设置为5和3。进行这研究是为了研究缠绕层的直接作用，因此以三层为基础进行设计，并且与以前的设计相比仅增加一层，就可以清楚的展现缠绕层的作用。我们关注的是层的影响而不是厚度，因此如果使用少于三层，结构刚性将不够，同时五层即可达到研究目的，因此不需要更厚的杆身。

利用ABAQUS中的复合材料铺层模块开发了复合材料模型。螺旋缠绕层被定为plusmn;45°，因为其纤维是沿两个方向取向的。出于仿真目的使用了复合连续壳元素S8R。表2中显示了用于模型开发的材料属性.使用的材料类型本质上是正交各向异性的。使用复合切片工具按照堆叠顺序将层定向为0或plusmn;45°。

在模型上应用的边界条件包括在所有尺寸上约束轴的一侧，并在另一端施加扭转力矩。边界条件由实际实验设置决定，该设置用于执行实时实验。通过比较从实时测试中提取的数据来对模拟结果进行验证。轴两端的边界条件的显示如图2所示。它展示了模型的一部分，明确展示了固定端和旋转端。

图3直观地显示了应力的产生和轴的变形。红色区域是最大应力区域，而蓝色区域则是最小应力区域。

为了根据应力计算扭矩，使用以下公式^[31]：

扭矩=

其中sigma;_max为最大应力，D为外径，d为内径。

表2 材料属性 图2 施加的边界条件

图3 ABAQUS软件中轴的有限元分析 图4 用于制造轴的心轴

2.2、复合材料制造

2.2.1、材料

该研究的目的是在低重量下获得更高的强度，因此选择了碳纤维和环氧基质作为制造材料。用尺寸为12 K且长丝直径约7–8mu;m的碳纤维丝束进行缠绕。碳纤维卷轴的净重为6 Kgs，并且外部不缠绕。选择的基质是环氧树脂Epolam 2040，它可以在室温下固化。

2.2.2、制造

轴的制造通过纤维缠绕工艺进行。制造中使用的机器利用两个轴的自由度将螺旋缠绕在旋转的心轴上。卷轴在环境条件下标准化。首先称重两个碳纤维卷轴，然后将其安装在一个固定的纱架上。来自两个卷轴的长丝通过树脂槽和会聚环以达到2毫米的带宽（图3）。

用于制造的心轴由低碳钢制成，并沿其长度方向逐渐变细。心轴的最大直径为21毫米，且从更大的直径处被安装在卡盘中。安装后，进行了表面处理以易于拆卸轴。图4显示了涂有脱模剂的心轴图片。

制造过程中需将浸渍纤维缠绕在旋转轴上。首先，将机器编程为环向和螺旋缠绕，然后将机器运行为空运行。通过空运转确认模式后，开始通过卷绕进行湿式铺网。小批量制备要从树脂槽中进料的树脂，以提供用于浸渍的新鲜树脂。使用刮刀控制树脂的浸渍，以最大程度地减少过量的树脂流动，进而提高树脂的体积分数。逐层制造轴，然后使其在室温下固化24小时。图5给出了制造过程的示意图。

轴固化后，通过液压拉拔机将它们从心轴中取出。由于扭矩与轴的长度有关，因此将轴进一步切割以提供300 mm长的标准尺寸，从而获得相对结果。为了使表面均匀，末端要面对轴。表1 提供了有关轴设计的信息，图6中显示了预制轴。在该过程中获得的纤维的体积分数约为60％。体积分数定义了复合材料的压实程度，并且由于纤维是主要的承载元素，其值越大，相关性能越好。

图5 纤维缠绕过程示意图 图6 预制轴

2.3、测试

该研究的主要目的是测量样品的扭转特性。为了评估制成的样品，根据扭角来测量断裂时的扭矩。轴的测试是在扭转测试机上进行的。轴的一端被夹紧以保持不动，而另一端施加了扭矩。输出结果显示了轴承受的最大扭矩和直至破裂的最大旋转角度。另外使用维氏硬度测试程序对制造的轴进行了硬度测试。

1. 结果和讨论

根据2.2节中所述的程序对轴进行测试，并在节中给出了有限元模拟。2.1 提供了实验和仿真结果的比较数据。图7说明了与模拟结果相比对实验结果的评估。

通过分析比较结果，很明显，仿真结果和实验结果相辅相成。每个设计进行了三个测试，并绘制了平均结果。对于样品A和B，通过仿真结果提取的扭矩大于实验结果，而对于样品C，实验结果显示出更高的值。实验值与模拟值的偏差归因于环境和人为因素，例如温度，湿度和操作技能。

这项研究发现的另一个方面是比较制造样品的性能。图8显示了将扭转值与制成的轴进行比较。样品B的强度比样品C高38％，比样品A高144％。对于最大扭曲角之间的比较，样品A和B的角度略有相似，即样品B的角度比样品A角度大3％。样品C的扭曲角比样品B小64％，比样品A小66％。

通过分析轴的实验结果，可以很明显发现由于轴的薄层和厚度增加，样品B提供的最大扭矩大于样品A。尽管样品C包含比样品B更多的薄片，但后者提供的最大扭矩更大。样品C扭矩的这种降低归因于厚度的增加，而剪切刚度没有明显增加。由于添加了一层环向缠绕层，其抗力小于螺旋缠绕层，因此即使样品C的层数最多，其强度也较低。根据结果，样品B表现出最大的抗扭强度，同时可知在样品A的设计中添加螺旋缠绕层的重要性。先前的研究^[21]已经报道了从145到175Nm的四层的最大扭矩值。由于被研究的轴是由纯碳纤维制成的，它们显示的最大扭矩略大于所报告的值。

图7 实验与仿真结果 图8 扭转强度比较

对于扭转角，样品A显示出最大值，而样品C显示出最小值。这归因于轴的厚度，因为比起其它样品来说样品A具有最低的厚度，这使它提供了更大的扭曲角度。扭曲角度说明了轴的刚度。通过分析结果发现扭转角更多地受到层数的影响，而不是层的类型。从结果可以明显看出，添加螺旋或环向层对扭转角没有任何特征性影响。

比较扭转特性的另一个方面是通过由方程式2给出的扭转刚度^[32]。刚度标志着材料抵抗变形的能力，特别是在轴的情况下，它是抵抗旋转的能力。当在身体上施加扭矩时，会产生扭转力矩。扭转力矩的抵抗力就是扭转刚度。制成的轴的扭转刚度的比较如图9所示。条形图代表了每个轴的抵抗能力。

通过分析图9中的结果, 可推论出样品C表现出最大的刚度值。样品C的刚度值比样品B高11％，比样品A高62％。由于样品C的扭曲角最小，因此其扭转刚度的相对值也更高。出现高刚度值的原因是厚度更大，从而增加了轴的刚度。厚度增加的趋势也通过扭转刚度的值来实现。此外，通过分析缠绕层的影响，样品B的强度比样品A高57％，因此很明显，添加螺旋层可将扭转刚度提高57％。同样，样品C的值仅比样品B高11％，这意味着环向层的刚度值增加了11％。因此可以得出结论，与环向缠绕层相比，螺旋层提供了更高的刚度。

在被施加力时吸收能量是材料的固有特性。在扭转力的情况下，材料吸收的能量定义为扭转弹性。公式3中给出了扭转弹性的数学

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