一、本课题的研究目的和意义

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP）是由碳纤维与其它集体材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它除了保持原材料的特点以外，还具有比强度和比模量高、材料柔韧度好、抗疲劳性能好、减震性能好、破损安全性能好、成型工艺性能好等诸多优点。目前，纤维增强复合材料在传动轴中使用日益广泛，它所具有的各种优异性能也日益凸现，与传统的金属传动轴相比，其具有轻质高强、低振动、低噪声、易维修、节约能源等特点。例如，船舶用传动轴特别需要考虑降低成本，选择使用玻璃纤维比较合适；飞机用传动轴对减重的要求更高，在高载荷低重量的状况下大多选择碳纤维复合材料；汽车用传动轴采用金属铝与复合材料混合，复合材料一般选用碳纤维增韧环氧树脂，复合材料与金属管之间的绝缘层一般采用玻璃纤维复合材料。^[5]

众所周知，机床传动轴主要是用来将电动机的动力传递给执行机构的，其一般都是用钢制材料制成，在中小型机床中能够较好地运行。然而重型机床传动轴的长度和直径一般都比较大，且对扭矩传递能力、抗弯曲能力、旋转精度以及所能承受的最高转速均有较高的要求，这就使得传统金属材料无法满足其特别的需求。由于金属材料的比模量和比刚度较低，若传动轴过长，质量就会比较大，这就使得传动轴的加工、布置、安装和调试变得非常困难，且容易引起强烈的振动，影响加工精度，浪费能源，增加成本。^[3]在这种情况下，国内外学者试图寻找比强度更高、减震性能更优的新材料来解决目前的困境。碳纤维作为复合材料的典型代表，因其卓越的性能进入了大家的视野。因此，对碳纤维复合材料重型机床传动轴的设计研究及其仿真建模，探究各设计思路及选用方案对其性能的影响，并寻求最佳设计方案具有十分重要的现实意义。

二、国内外研究、应用现状

国内的学者们对碳纤维转动轴的设计研究是从对碳纤维圆管的研究开始的。早在1990年国内的学者就开始用实验法测量不同铺层参数下碳纤维圆管的抗扭应力-应变曲线，弯曲应力-应变曲线。钟天麟^[12]等运用理论计算与实验测量的方法测出不同铺层角度的圆管的扭转强度和弯曲强度，总结出0°、45°、90°对圆管弯扭性能的影响:0°铺层能提高轴类的承弯性能，45°能提高轴类的抗扭性能。到21实际初，随着碳纤维层合板研究的不断深入，以及碳纤维轴类在航天航空领域的广泛应用，学者们设计制造出一系列具有不同铺层参数的碳纤维轴，并大量实验和仿真建模修正理论研究。赵娟^[14]等运用ANSYS仿真分析得出各铺层参数对碳纤维传动轴抗扭性能的影响规律：单向铺层方向接近0°、45°及90°结构件的抗扭强度较高，且抗扭强度随着结构件壁厚的增加而增大；增加40°~70°的铺层可以提高构件的扭转刚度；对称铺层比非对称铺层更有利于零件曾受扭矩。此研究为后人设计制造抗扭的碳纤维轴类零件提供了一套较完整的准则。

国外自20世纪70年代就开始了对碳纤维复合材料传动轴的研究，在碳纤维复合材料传动轴的结构设计、成型工艺以及连接等方面做了不少工作。M.A.Badie^[20]等对环氧树脂基碳/玻璃纤维复合材料转动轴进行了研究:若提高屈曲扭矩，必须通过确定纤维方向为90°来提高环向弹性模量；纤维方向为 /-45°的复合材料管材有较高的承载能力和较高的扭转刚度；不论是那种材料，含有铺设角度为 /-45°纤维的层压制品经受突变失效，而90°或0°的堆叠经受的是缓慢失效。Y.A.Khalid^[24]等对采用纤维缠绕技术制造的铝基混合复合材料传动轴进行了弯曲疲劳分析。研究表面，裂纹首先出现在没有纤维的区域或者树脂的外表面，对于纤维铺设角为 /-45°的铝合金复合材料管材，增加铺层数可以使疲劳强度提高40%。

碳纤维是最重要的无机高性能纤维，这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的，其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。^[7]碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体，所形成的碳纤维增强树脂（CFRP）具有优异的综合性能，其在导弹、空间平台和运载火箭，航空器，先进舰船，轨道交通车辆，电动汽车，卡车，风电叶片，燃料电池，电力电缆，压力容器，铀浓缩超高速离心机，特种管筒，公共基础设施，医疗和工业设备，体育休闲产品，以及时尚生活用具等领域，有着实际和潜在的应用。例如，CFRP作为导弹、空间平台和运载火箭的关键材料，被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。^[9]在导弹武器应用方面，CFRP主要用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件；在空间平台应用方面，CFRP可确保结构变形小、承载力好、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性良好，主要用于制造卫星和空间站的承力筒、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件；在运载火箭应用方面，CFRP主要用于制造箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喉衬和喷管等部件。目前，CFRP在航天器上的应用已日臻成熟，其是实现航天器轻量化、小型化和高性能化不可或缺的关键材料。CFRP作为电动汽车的车体结构，大大降低了城市乡镇的污染排放。^[15]英国材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%。现有材料中，CFRP的轻量化效果最好，加之汽车设计和复合材料技术的快速发展，使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。BMW公司BMWi型车的推出引领了这一潮流。其采用CFRP、铝和钛等轻质材料，实现了突破意义的减重，达到了零排放。