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1、膠接具有不破壞纖維連續(xù)性和輕量化等諸多優(yōu)勢(shì),已成為碳纖維復(fù)合材料零部件的重要連接方式。但由于連接部位結(jié)構(gòu)和材料的不連續(xù),在傳遞載荷時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部的高應(yīng)力集中,因此膠接接頭通常是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸而言,膠接接頭失效行為的研究直接關(guān)系到傳動(dòng)軸的安全可靠性。碳纖維傳動(dòng)軸管與金屬軸頭的膠接是典型的剛度不平衡連接問(wèn)題,被膠接件剛度不等使得連接兩端的受載不一樣,兩端應(yīng)力峰值產(chǎn)生明顯差異,導(dǎo)致一側(cè)的膠層或被粘物首先失效。針對(duì)這類(lèi)剛度不平衡的
2、碳纖維傳動(dòng)軸膠接接頭,通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)削弱其剛度不平衡性,將顯著降低接頭應(yīng)力集中程度、提高接頭承載效率,對(duì)增強(qiáng)碳纖維傳動(dòng)軸的承載性能具有重要意義。
本文通過(guò)改變金屬軸頭與碳纖維傳動(dòng)軸管的剪切模量比、壁厚比獲得不同的剛度不平衡狀態(tài),研究了剛度不平衡對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸膠接接頭應(yīng)力分布、扭矩承載能力、裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律與失效模式等失效行為的影響,提出了基于膠接接頭剛度平衡的碳纖維傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
首先,在材料力學(xué)的基礎(chǔ)上
3、分析了碳纖維傳動(dòng)軸膠接接頭的受力狀態(tài)、失效形式及對(duì)應(yīng)的失效準(zhǔn)則,并結(jié)合經(jīng)典層合板理論推導(dǎo)出碳纖維傳動(dòng)軸管剛度計(jì)算方法,確定影響傳動(dòng)軸剛度不平衡的主要參數(shù)為剪切模量和壁厚,其中剪切模量的變化通過(guò)碳纖維傳動(dòng)軸管鋪層方式改變而獲得。
其次在ABAQUS中建立了碳纖維傳動(dòng)軸膠接接頭的有限元模型,對(duì)膠層的模擬采用雙線性?xún)?nèi)聚力模型,以初始失效指數(shù)QUADSCRT監(jiān)控膠層的初始失效,剛度退化指數(shù)SDEG監(jiān)控膠層的失效擴(kuò)展,從而查看膠層裂紋產(chǎn)
4、生和擴(kuò)展規(guī)律。掌握了剛度不平衡狀態(tài)下碳纖維傳動(dòng)軸管與金屬軸頭的應(yīng)力分布、膠層初始失效及擴(kuò)展分布、膠層應(yīng)力應(yīng)變分布及其隨載荷的變化規(guī)律,以及對(duì)膠接接頭扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度的評(píng)價(jià)方法。得到結(jié)論:碳纖維傳動(dòng)軸管的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在膠接區(qū)域端部,金屬軸頭的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在未膠接區(qū)域;膠層應(yīng)力與應(yīng)變分布、初始失效與擴(kuò)展均呈現(xiàn)出不平衡性,被粘物扭轉(zhuǎn)剛度較低一側(cè)的應(yīng)力、應(yīng)變峰值與失效程度均高于另一側(cè)。
結(jié)合有限元仿真與典型靜扭實(shí)驗(yàn)研究了影響金屬軸頭與碳
5、纖維傳動(dòng)軸管扭轉(zhuǎn)剛度比的兩大參數(shù)——兩者剪切模量比與壁厚比對(duì)膠接接頭失效行為的影響,得到結(jié)論:兩者不同扭轉(zhuǎn)剛度比下,傳動(dòng)軸構(gòu)件失效模式不同;不同碳纖維傳動(dòng)軸管鋪層下,傳動(dòng)軸構(gòu)件的失效扭矩與兩者剪切模量比有關(guān),剪切模量比接近1時(shí),失效扭矩最大;鋪層角度對(duì)失效行為的影響遠(yuǎn)大于鋪層順序的影響;兩者不同壁厚比下,傳動(dòng)軸構(gòu)件的失效扭矩與兩者扭轉(zhuǎn)剛度比有關(guān),當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度比從小于1的方向接近1時(shí),失效扭矩逐漸增大,扭轉(zhuǎn)剛度比大于1時(shí),失效扭矩不會(huì)隨扭轉(zhuǎn)
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