碳纖維半軸的結構設計及失效分析

浦學銘，曾梓微，代夢婷，盧蘇安

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碳纖維半軸的結構設計及失效分析

浦學銘1，曾梓微2，代夢婷3，盧蘇安2

（1.江蘇大學機械學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學汽車與交通學院，江蘇 鎮江 212013； 3.江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013）

文章根據賽事規則，使用碳纖維鋪層方法，對一類大學生方程式汽車碳纖維半軸結構的參數進行了設計。基于Tsai-Wu 準則，借助于ANSYS有限元分析軟件對該碳纖維半軸結構進行變形校核及失效分析。文章對加工出的碳纖維半軸，通過扭轉實驗對其進行了強度校核。文章設計的碳纖維半軸具有轉動慣量小、重量輕、耐腐蝕、耐疲勞及強度高的優點。

FSAE；碳纖維；傳動系統；半軸；有限元

1 引言

大學生方程式汽車大賽（簡稱FSAE）是由大學本科生或研究生組成的車隊使用自己構想、設計并制造完成的小型方程式賽車參加的賽事[1]。理想的FSAE賽車，應具備優異的性能、輕質量及高強度的特點。賽半軸是FSAE賽車傳動系統的重要組成部分，承擔了整車傳輸動力。相比于傳統的實心鋼制傳動軸，采用碳纖維復合材料半軸具有質量輕、強度高的優點。目前在方程式賽事上，碳纖維運用較為廣泛，但設計成本較高。

纖維纏繞是當前工業生產中復合材料結構的一種重要生產方法。纖維纏繞結構通常有兩種：無緯結構，即由同一方向纖維編織成的單向層片組成；有緯結構，即由兩個不同方向纖維編織而成的雙向層片組成。對于有緯結構，[+φ,-φ]纏繞易于加工，并可使制品在外載荷作用下的變形較為均勻，故不易發生翹曲，因而在工業中使用較為廣泛。然而，不同的纏繞角度以及不同角度的鋪層的鋪設次序都會影響半軸的力學性能[2-3]。

本文借助有限元分析軟件探討鋪層參數、鋪層順序和方案對半軸承扭性能的影響。考慮強度問題，優化碳纖維復合材料半軸的鋪層設計，從而實現對復合材料半軸的失效分析，降低了碳纖維半軸設計成本。

2 半軸結構設計

2.1 動力參數

本文以CBR600rr摩托車發動機為例，根據FSAE賽事規則，進排氣要求加裝20mm進氣限流閥。經重新標定后最大功率為47.4（11000r/min），最大扭矩為42.4（10500r/ min）[4]。

2.2 傳動參數

初級減速比為2.111，主減速比為3.18，一檔傳動比為2.75，故最大總傳動比為18.46。其它檔位減速比及總傳動比如表1所示。一般FSAE賽車采用鏈傳動的布置，動力由鏈輪輸出至差速器，分配后由半軸輸出。

表1 各檔位減速比及總傳動比

2.3 受力分析

在大學生方程式賽車中，半軸主要是全浮式結構，只受到扭矩的影響。半軸的轉矩T可按發動機最大轉矩和最低檔傳動比確定，其計算式如下：

式中：

為發動機至主減速器之間的傳動系最低檔傳動比，取18.46；η為傳動系上傳動部分的傳動效率，取0.85[5]；T為發動機曲軸輸出的最大轉矩，取42.4；為汽車的驅動橋數目，取 1；0=1.3；為德雷克斯勒差速器轉矩分配系數，取0.88[6]。

根據以上參數，由式可計算得到T=761.1·。

2.4 碳纖維鋪層設計

相關研究表明45°鋪層有利于提高軸類零件抗扭性能[7-8]，故本案例采取0°、-45°、-45°、0°、45°、45°、0°、-45°、-45°、0°的鋪層順序，共10層，每層0.5mm，外徑36mm，長度為325mm。采用的是T700S的預浸料進行纏繞成型，T700S的材料屬性見表2。

表2 T700S材料屬性

3 有限元分析

3.1 有限元模型

復合材料最重要的特性是其層狀布局，各層可具有不同的材料屬性和不同的主方向[9]。本文中采用有限元分析軟件ANSYS通過ACP前處理模塊對復合材料進行鋪層建模，再聯合靜力學分析模塊施加負載分析強度。

圖1為所建立的ANSYS有限元分析模型。然后定義材料和鋪層參數。

圖1 有限元模型

3.2 靜力學分析

在Workbench工作臺中將ACP前處理模塊與靜力學模塊建立連接，劃分網格，添加約束。如圖2所示，在一端施加761.1·的扭矩，另一端添加固定約束。

圖2 網格劃分以及約束定義

通過計算求解，得到扭轉角云圖，如圖3所示。從圖中可看出，在加載端的單位扭轉角最大，為0.003°/m，表明采用本文對主軸設計的鋪層鋪設次序、鋪層厚度、層數，可滿足扭轉剛度要求。

圖3 碳纖維半軸扭轉角

可使用相關的失效準則驗證碳纖維半軸是否已經失效——Tsai-Wu失效準則，ACP后處理模塊里已經內置有此準則。得到的失效系數見圖4，可以看出最大失效指數為0.006＜＜1，表明碳纖維軸半軸不會失效。

圖4 碳纖維半軸Tsai-Wu失效系數

4 實驗分析

本文使用NWS500型扭轉試驗機對半軸試樣進行扭轉測試。本試驗機夾具采用定位套定位，螺釘帶動滑塊夾緊的夾持方式，端頭通過粘接和螺釘的混合連接方式與碳纖維管體固定[10]。實物如圖5所示。

賽車跑動過程中1檔使用較少，2檔使用頻繁，而2檔下的扭矩為550·，本實驗機可真實模擬工況。實驗結果如圖6所示，碳纖維半軸未發生斷裂，可滿足使用性能。

圖5 碳纖維半軸扭轉實驗

圖6 碳纖維半軸扭矩與扭轉角的關系曲線

5 小結

本文設計了一類碳纖維半軸，經理論計算和有限元分析失效分析，該結構滿足使用需求。同時，經過實驗證明該結構可承受實驗機可施加最大扭矩，滿足賽車需求。因碳纖維半軸質量比同等長度與直徑的鋼制半軸輕30~40%，使其具有質量輕、低轉動慣量的優點。然而，碳纖維半軸具有加工成本較高的缺點。同時，碳纖維管體與兩端接頭的粘接-機械連接混合固定方式易損害碳纖維管材，需要尋找一種合適的連接方式解決此問題，需要進一步開展工作。

[1] 李理光.中國大學生方程式汽車大賽規則[Z].北京:中國汽車工程學會, 2017.

[2] 孫江,肖琪.考慮纖維波動[+φ/-φ]纏繞角管件的軸向彈性模量計算方法[J].玻璃鋼/復合材料,2006(01): 38-41.

[3] 孫江.纖維纏繞復合材料管件的纏繞圖型及纖維波動程度[J].玻璃鋼/復合材料, 2004(02): 36-38.

[4] 陳寧特,高輝松.基于link G4+Storm的CBR600RR發動機標定試驗研究[J].小型內燃機與車輛技術, 2016, 45(05): 27-33.

[5] 董清泉.FSAE賽車傳動系的設計與分析[J].上海:科技視界,2014, 226(06): 287-288.

[6] 魏琛琛,劉浩凌,王燕妮,等.FSAE方程式賽車傳動系統的優化設計及LSD的調教[J].西安:汽車實用技術, 2017, 22(12): 67-71.

[7] 魏鯤鵬,戴興建,邵宗義.碳纖維波紋管彎曲剛度的測量及有限元分析[A].北京:清華大學學報（自然科學版）, 2019, 21(09): 1-5.

[8] 鐘天麟,周祝林.碳纖維復合材料圓管性能研究[J].玻璃鋼, 2003(03):1-6.

[9] 任慧韜.纖維增強復合材料加固混凝土結構基本力學性能和長期受力性能研究[D].大連理工大學, 2003.

[10] 章瑩.連接形狀對碳纖維傳動軸扭轉性能的影響[D].武漢理工大學, 2013.

Structural Design and Failure Analysis of Carbon Fiber Half Axis

Pu Xueming1, Zeng Ziwei2, Dai Mengting3, Lu Suan2

( 1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013; 2.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013; 3.Jingjiang College, Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013 )

In this paper, according to the rules of the competition, the parameters of the carbon fiber half-axle structure of Formula Student China are designed by using the carbon fiber laying method. Based on Tsai-Wu criterion, the deformation checking and failure analysis of the carbon fiber semi-axle structure are carried out by means of ANSYS finite element analysis software. The strength of the processed carbon fiber semi-axle is checked by torsion test. The carbon fiber semi-axle designed in this paper has the advantages of small moment of inertia, light weight, corrosion resistance, fatigue resistance and high strength.

FSAE; Carbon fibre; Transmission system; Hollow half shaft; Finite element

U462

A

1671-7988(2019)09-72-03

U462

A

1671-7988(2019)09-72-03

浦學銘（1998-），男，本科，就讀于江蘇大學機械學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.024