摘 要

碳纤维复合材料具有轻质高强、可设计性强、抗疲劳性能好等优良性能，利用碳纤维复合材料制作的传动轴代替传统的金属传动轴，不仅可以使传动轴的性能得到大幅度的提升，而且可以显著降低重量，实现车辆的轻量化。ANSYS是一款功能强大的通用有限元分析软件，在分析复合材料结构的分析方面也具有一定的优势。本文采用有限元分析软件ANSYS对碳纤维复合材料传动轴进行分析。

论文主要研究了在ANSYS中碳纤维复合材料传动轴的建模、划分网格、施加约束、优化设计等问题，建立了碳纤维复合材料传动轴的有限元分析方法，研究了不同铺层角度、铺层厚度和铺层顺序对碳纤维复合材料传动轴性能的影响。

以临界破坏扭矩和单位长度扭转角为控制指标进行分析，研究结果表明：1）铺层角度、铺层厚度和铺层顺序都对碳纤维复合材料传动轴的力学性能有影响；2）±45°方向的铺层角度有利于提高传动轴的承载能力和扭转刚度；3）分析得出了碳纤维复合材料传动轴的最优铺层。

关键词：碳纤维；传动轴；有限元法

Abstract

The carbon fiber composite material has excellent properties such as light weight, high strength, strong designability, and good fatigue resistance. The use of a carbon fiber composite material for the transmission shaft instead of the conventional metal transmission shaft not only enables the performance of the transmission shaft to be greatly improved, but also The weight can be significantly reduced and the weight of the vehicle can be reduced. ANSYS is a powerful general-purpose finite element analysis software that also has certain advantages in analyzing the analysis of composite structures. In this paper, finite element analysis software ANSYS is used to analyze the carbon fiber composite transmission shaft.

The thesis mainly studies the problems of modeling, meshing, imposing constraints, and optimization design of carbon fiber composite transmission shaft in ANSYS. The finite element analysis method of carbon fiber composite transmission shaft was established, The effects of different layup angles, layup thicknesses and layup sequences on the performance of carbon fiber composite transmission shafts were investigated.

The critical failure torque and the torsion angle per unit length were used as the control indicators. The results showed that: 1) The ply angle, layup thickness and layup sequence all have an impact on the mechanical properties of the carbon fiber composite transmission shaft; 2) ±45° The ply angle in the direction is beneficial to improve the bearing capacity and torsional stiffness of the transmission shaft; 3) The optimal layer of the carbon fiber composite transmission shaft is analyzed.

Key Words：carbon fiber；transmission shaft；finite element method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 复合材料传动轴的国内外研究现状 2

1.3 研究意义、目的和内容 3

1.3.1 本文的研究意义 3

1.3.2 本文的研究目的 4

1.3.3 本文的研究内容 4

第2章 碳纤维复合材料的设计基础 5

2.1 缠绕制品铺层的一般原则 5

2.2 复合材料的力学分析 6

2.3 有限元软件ANSYS对碳纤维复合材料的分析步骤 7

第3章 碳纤维复合材料传动轴的模型建立 9

3.1 传动轴的性能指标及材料选择 9

3.1.1 碳纤维复合材料传动轴的性能指标 9

3.1.2 碳纤维复合材料传动轴的材料选择 10

3.2 ANSYS中建立传动轴模型的要点 10

3.2.1 碳纤维复合材料传动轴的单元类型选择 10

3.2.2 层属性的定义 11

3.2 ANSYS中传动轴有限元模型的建立 13

3.3 有限元模型的网格划分 14

3.4 施加约束和载荷的要点 15

第4章 碳纤维复合材料传动轴的优化设计 17

4.1 铺层角度设计 17

4.2 铺层厚度设计 23

4.3 铺层顺序设计 25

第5章 总结和展望 27

5.1 论文工作总结 27

5.2论文工作展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

碳纤维复合材料是近几年发展起来的一种全新的材料，结合了碳纤维材料与树脂材料的优点，并使其各项的优良性能得到了充分的利用，具备单一原材料不具备的特点。由于其可靠的力学性能和良好的经济性能，碳纤维复合材料的应用在飞机、船舶、汽车、建筑、化工等行业都得到了大量的认同，其使用率不断提升，发展极其迅速^[1]。碳纤维复合材料相对于其它应用广泛的金属材料来说，在性能方面具备下述的诸多优点：

（1）比强度大、比模量高

在工程中，我们一般把材料的比强度定义为材料的强度与密度的比值，即在相同强度条件下，比强度高的材料所需的质量就会减小，比强度越高越有利于减小构件的自重，材料的轻质高强性越好；将材料的比模量定义为材料的模量与其密度的比值，即对于相同形状的构件来说，比模量越高的构件所具备的刚性也就越强。由于碳纤维复合材料是由低密度、低强度、低模量的树脂和低密度、高强度的碳纤维通过复合工艺加工组合而成，所以其具有比强度大、比模量高的特点^[2]。

（2）抗疲劳性能优异

碳纤维复合材料是由树脂和纤维组成的，由于树脂具备良好的塑性、纤维的缺陷少，同时纤维与基体间界面的特性导致疲劳裂纹不易扩展，从而碳纤维复合材料的抗疲劳性能优异。通常，碳纤维复合材料的疲劳强度与传统的金属材料相比分别是拉伸强度的0.7～0.8倍与0.3～0.5倍，说明在一定的拉伸强度时，碳纤维复合材料的疲劳强度是金属材料的1.4～2.6倍，其使用寿命高于金属材料，即碳纤维复合材料的抗疲劳性能好^[3]。

（3）成型工艺好

碳纤维复合材料的成型工艺性能好，对于简单构件和复杂构件都可以通过成型工艺进行整体成型，这样不仅对构件加工的步骤进行了简化，还使构件的结构减少了诸多不必要的连接部位。提升了构件的连接性，加强了构件的整体性能。

（4）可设计性强

碳纤维复合材料的柔韧度好，可设计性强。一方面，可以利用树脂的流动性生产形状复杂的零部构件；另一方面，可以根据产品的需求改变复合材料的整体参数，如碳纤维的铺层角度、铺层厚度、铺层顺序等等。

（5）减震性能好

结构的减震性能一般可以通过其自振频率来衡量。比刚度越大的构件，其自振频率越大，则该构件只有在足够高的频率才会发生共振现象，即其减震性能好。碳纤维复合材料与传统的金属材料相比具有更高的比刚度，同时纤维复合材料的纤维和树脂之间的界面能够有效吸收震动能量，提高了减震性能，所以由碳纤维复合材料制成的构件具有减震性好的优良性能^[4]。

（6）破坏的安全性能好

碳纤维复合材料是通过树脂与碳纤维加工而成，当碳纤维复合材料构件承受到一定荷载，少量纤维发生断裂时，碳纤维复合材料构件所受的载荷会被分布到其它纤维上，即不会像传统金属那样发生脆性破坏，这样更易于结构检测，防止骤然破坏带来大量损失。

碳纤维复合材料具有上述诸多优良性能，使其使用量和普及率在近几年中得到大幅度的提升，越来越受到各行各业的青睐。

汽车传动轴是汽车组成中的主要构件，由于其工作状态，汽车传动轴在使用的过程中主要承受扭矩。汽车传动轴的主要作用是将发动机产生的动力传递给驱动桥，在整个动力系统中起着不可代替的作用。为了进一步优化汽车的设计，提高汽车的整体性能，寻找一种既能满足汽车构件的强度和刚度的设计要求，又可以减轻汽车重量的材料一直是设计者们的需求倾向。而碳纤维复合材料的轻质高强、可设计性强等诸多特性正好满足了汽车行业的需求^[5]。当传动轴的长度超过lm时，设计者会根据设计要求将一个整段的传动轴划分成两段的形式进行组装连接，但在利用碳纤维复合材料制作汽车传动轴时，可以根据其所具备的优良性能，将两段连接的结构形式简化成一段，在满足相同的力学性能的同时，可以减轻汽车的质量，从而减少汽油消耗。可以很好的解决由两段传动轴带来的不良问题，减少传动轴质量的同时可以降低噪音。

1.2 复合材料传动轴的国内外研究现状

由于轻质高强等优良特性，碳纤维复合材料的使用率不断提升，发展极其迅速，吸引着越来越多的学者对此方面的研究。将碳纤维复合材料应用到汽车传动轴可以让汽车的性能得到更好的优化，是一个很好的应用实例。

目前，国内对碳纤维复合材料的研究正在不断的发展，其应用普及的领域也在不断扩大；国外对碳纤维复合材料传动轴的研究起步较早，从20世纪70年代就已经开始对碳纤维复合材料在传动轴上的应用进行研究，从传动轴的性能要求出发，考察碳纤维复合材料的各项指标，并对其设计要求、成型工艺等一系列流程进行优化设计，已得到了很多具有参考意义的结果，很多汽车上已经开始使用碳纤维复合材料传动轴。

Ellyin等^[6]研究了复合材料缠绕圆管的力学性能，设计了多种不同的铺层方法进行圆管的缠绕成型，在对这些圆管进行相应的力学分析。从实验结果中他们发现复合材料的缠绕角度、缠绕厚度和缠绕顺序等多种缠绕因素有关，这说明复合材料的铺层角度、厚度和顺序等方面都会一一影响到复合材料构件的力学性能。

1. A.Badie等^[7]为了更广泛的研究不同铺层角度对传动轴性能的影响，一起研究了由不同材质制成的传动轴，有碳纤维环氧树脂复合材料，也有玻璃纤维环氧树脂复合材料。研究表明接近±45°方向的铺层角度有利于提高传动轴的承载能力和扭转刚度，接近90°方向的铺层角度有利于提高传动轴的环向弹性模量，且随着铺层角度的减小，传动轴的固有频率增加。

Caroll^[8]进行了碳纤维复合材料圆管在不同加载速度和加载方式下的力学试验，实验结果表明在圆管的失效形式在相同的加载方式下差别不大，但在不同的加载方式下就显然不同，说明碳纤维复合材料圆管的加载方式会影响到其失效形式；若对碳纤维复合材料圆管的加载速度进行变大，圆管的失效应力会随之变大；弹性性能会影响加载速度和泊松比。

Cohen等^[9]逐一针对铺层角度、铺层顺序、时间间隔等参数进行了阶段性的试验，通过试验得出复合材料缠绕制品的性能会受缠绕工艺中的一些参数影响，在不同铺层角度、铺层厚度等条件下制作形成的构件在性能上有比较大的差异，从而在缠绕加工前可以通过设计这些参数来满足复合材料制品的性能要求。

ARA Talib等^[10]以传动轴的固有频率、抗弯强度及剪切强度这三个方面为指标，对不同铺层角度、铺层厚度和铺层顺序的传动轴进行研究。试验表明传动轴静态扭力在很大程度上受到铺层角度、铺层厚度和铺层顺序的影响，且在铺层角度为45°时传动轴有最大静扭力。

Soden等^[11]从复合材料构件的强度、刚度性能等多方面专门地对铺层角度进行了研究，

详细地分析了铺层角度对复合材料构件性能的影响，实验结果表明复合材料构件的轴向拉伸强度会随着缠绕角的变大而变强，复合材料构件应力-应变行为会随着缠绕角的变大而变得模糊，同时复合材料构件的周向速度会变小。

1.3 研究意义、目的和内容

1.3.1 本文的研究意义

碳纤维复合材料是近几年发展起来的一种全新的材料，结合了碳纤维材料与树脂材料的优点，并使其各项的优良性能得到了充分的利用。在性能方面，碳纤维复合材料具有比强度、比模量大；可设计性强；各向异性性能；抗疲劳性能好；破裂安全性能良好；阻尼减震性好；抗磁、隔音、绝缘；抗腐蚀性等。由于其可靠的力学性能和良好的经济性能，碳纤维复合材料的应用在飞机、火箭、汽车、建筑、化工等行业都得到了大量的认同，其使用率不断提升，发展极其迅速。碳纤维复合材料传动轴是碳纤维复合材料在汽车上比较成功的应用之一。

汽车传动轴是汽车组成中的重要构件，其主要作用是将发动机产生的动力传递给驱动桥，在整个动力系统中起着不可代替的作用。碳纤维复合材料的轻质高强、可设计性强等诸多特性能满足汽车构件的强度和刚度的设计要求，正好符合设计者们为了进一步优化汽车的设计，提高汽车的整体性能。能在满足相同的力学性能的同时，将传统情况下的两件传动轴简化成单件，可以减轻汽车的质量，从而减少汽油消耗。很好的解决由两段传动轴带来的不良问题，减少传动轴质量的同时可以降低噪音。

由于有限元软件ANSYS的结构和功能极其强大，所覆盖的工程范围广，受到大多数人的喜爱，本文也采用ANSYS有限元分析的方法对碳纤维复合材料传动轴进行多方面的研究，利用ANSYS的APDL对碳纤维复合材料传动轴进行了一步一步的建模、网格划分、施加约束、求解、优化设计等等操作，从中建立了碳纤维复合材料传动轴的有限元分析方法，研究了不同铺层角度、铺层厚度和铺层顺序对碳纤维复合材料传动轴性能的影响。确保碳纤维复合材料传动轴的安全性并进行优化设计从而具有更好的经济性能。

1.3.2 本文的研究目的

本次论文研究的目的主要是以下两点：

（1）建立碳纤维复合材料传动轴的有限元分析方法。

（2）针对不同的的参数设置，分析数据进行优化设计，从而获得最终优化设计结果。

1.3.3 本文的研究内容

本文的研究内容主要分为以下两个部分：

1. 以有限元分析为主，对ANSYS中的前处理、求解、后处理这三个部分进行详细的APDL操作及说明，主要包括对碳纤维复合材料传动轴的模型简化、选择单元类型、输入材料的工程弹性常数和强度指标、建立圆柱面、进行网格划分试算找到合适的网格划分、施加约束及扭矩、进行试算求解，通过不断的试算和修改，建立出准确有效的分析模型；
2. 待上一部分建立出碳纤维复合材料传动轴准确有效的分析模型后，从临界破坏扭矩和单位长度扭转角进行分析，分别从铺层角度、铺层厚度和铺层顺序这三个方面对碳纤维复合材料传动轴性能的影响进行研究，在满足碳纤维复合材料传动轴设计要求时进行优化设计，找到最优铺层，使之具有更好的经济性能。

第2章 碳纤维复合材料的设计基础

碳纤维复合材料是近几年发展起来的一种全新的材料，结合了碳纤维材料与树脂材料的优点，并使其各项的优良性能得到了充分的利用，具备单一原材料不具备的特点。碳纤维复合材料与应用广泛的金属材料相比在成型工艺、力学分析等方面有很大的不同。本章通过对缠绕制品铺层的一般原则、力学分析的基本定义以及有限元软件ANSYS对碳纤维复合材料的分析步骤这三个方面展开分析。

2.1 缠绕制品铺层的一般原则

碳纤维复合材料传动轴一般是通过缠绕法形成的，其铺层的结构形式可以看成是层合板的一种，在进行参数设计等要求时可以参照层合板的设计准则。一般是从铺层角度、铺层厚度、铺层比例以及铺层的角度顺序等方面进行参数设计。铺层的角度设计是指确定几种不同的铺层方向；铺层的厚度设计是指各铺层厚度加一起的总厚度，一般可通过铺层数来衡量；铺层的比例设计是指对于上述已确定的不同铺层方向的数量分别进行选择，确定不同铺层方向占总铺层的百分比；铺层的角度顺序是指各个铺层角度按一定的顺序排列进行铺层，包含对称铺层和非对称铺层。层合板铺层设计的一般原则如下^[12]：

（1）铺层定向原则

一般在铺层设计的时候，为了能够方便快捷，减少施工和设计工作量，会尽量的减少铺层角度的选择，应尽可能多的选择0°、±45°、90°。在实际的工程应用中常常也是遵循此项原则。并且在缠绕制品中，大部分情况下是采用±α°进行缠绕制品铺层设计。

（2）按载荷选择铺层取向原则

接近±45°方向的铺层角度有利于提高传动轴的承载能力和扭转刚度，接近90°方向的铺层角度有利于提高传动轴的环向弹性模量。所以纤维制品可以根据构件承受的载荷类型选择不同的铺层角度、厚度和顺序，使其纤维性能达到最有效的利用。当构件主要承受扭矩、剪切荷载的时候，铺层方向应多采用±45°；当构件主要承受轴向拉伸、压缩载荷时，铺层方向应多采用0°、90°；当构件同时承受轴向、径向等多种载荷时，应采用0°、45°、-45°、90°的多向铺层。

（3）变厚度设计原则

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