混合高模量/高强度碳纤维增强塑料复合传动轴的优化外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

混合高模量/高强度碳纤维增强塑料复合传动轴的优化

O．蒙塔尼（空军（EOAA）的学校主任，空军研究中心首席教员）

舍曼约瑟夫((AML)力学与声学实验室)

摘要

本研究使用遗传算法处理在亚临界或超临界速度下操作的混合复合驱动轴的优化。开发了用于包括剪切效应的安装在粘弹性支撑件上的复合驱动轴的弯曲振动的方法。特别是开发分析稳定性标准以确保系统在超临界状态下的完整性。然后显示扭转强度可以用最大应力标准计算，开发了一种用于计算驱动轴扭转屈曲的剥壳法。然后执行使直升机尾部旋翼传动系统的得到优化。特别是研究了由高模量和高强度碳纤维增强环氧树脂层组成的原始混合轴。 使用在此提出的方法获得的解决方案使得可以在亚临界条件下大大减少轴的数量和传动系的重量，甚至在超临界条件下超过更多。这项研究可以产生一些一般规则设计最佳复合轴，而不需要任何优化算法。

2012 Elsevier Ltd.（爱思唯尔有限公司）保留所有权利。

1．简介

自1970年以来，复合材料作为候选材料被视为最有潜力的制造传动轴的材料，因为他们有很高的比刚度和强度[1]。关于这一主题的研究主要集中在亚临界情况下的复合轴设计，即从不超过第一临界速度。然而，当需要长的传动系（在直升机的情况下，倾斜旋翼，具有双涡轮螺旋桨发动机的无尾飞机等），增加驱动轴长度的附加装置包括在第一临界速度以上操作，在所谓的超临界状态。长轴的主要优点是它们减少了所需的轴承支撑件的数量，并因此大大降低了维护成本和传动系的重量。然而，设计过程更复杂，因为轴必须越过临界速度，并且由于旋转阻尼导致的动态不稳定性可能在该状态下发生。航空应用能很好地运行在超临界状态，传动系统总是在飞行期间以标称速度旋转，因为它们在地面上经历加速和减速过程。本文的目的是在这种实际情况下优化超临界驱动轴。

人们已经使用许多不同的数值方法来设计优化的复合驱动轴，以减小其重量，例如，基于连续函数梯度的传统方法已被几个作者用于此[2-4]。然而，这些方法不适合于复合层压材料，因为必须优化的许多变量是离散变量（例如预浸料叠层工艺中的层数和层角）。因此有必要假设这些变量是连续的，以便能够计算所需的梯度。元启发式方法可用于解决涉及离散变量的问题的优化技术。例如，Gubran和Gupta [5]已经使用基于邻域方法的模拟退火技术。文献综述表明，遗传算法（GA）[6,7]很好地适应于设计层压结构。GA最近被用于优化柔性基质复合驱动轴[8]。这里建议使用具有惩罚方法的GA来解释约束函数。此外，为了减少CPU时间，在不需要使用有限元方法的情况下处理所有的设计方面。

在驱动轴应用中，复合材料的选择是非常重要。一些作者建议在驱动轴的生产中使用混合复合材料 Xuetal[9]，Gubran [10]和Badieetal[11]。最近研究的玻璃和碳纤维有在改性环氧树脂基质中的混合物的优点。Lee et al[12]，Gubran [10]，Mutasher [13]和Abu Talib et al[14]。最近研究混合金属/复合驱动轴的设计和制造。这里提出研究使用高模量（HM）和高强度（HS）碳纤维增强环氧树脂层的组合，以便从每种类型的纤维的主要优点受益。在复合层压管的情况下的主要设计考虑是轴向刚度和扭转阻力。在这种特定的情况下，提供刚度和强度的层片可以实际分开考虑[15]。HM碳/环氧树脂，具有差的强度性能，特别是当暴露于压缩载荷时[16]，可以用于最大化轴向刚度。HS碳/环氧树脂可用于最大化抗扭转负载。注意，可以通过对两种纤维使用相同的树脂简单地获得杂交。否则，需要验证两种树脂的相容性（就其固化循环行为，粘合性等而言）。为了方便起见，这里不考虑这一点。

本文的第一部分介绍了各个方面的设计。特别是在超临界速度下研究驱动轴的动态。破坏强度分析侧重于应力标准的选择。然后开发复合壳模型用于解决扭转屈曲问题。在第二部分中，介绍了GA。最后一部分介绍了HM和混合解决方案在直升机尾转子传动系统之前在文献中提出的比较研究。

命名法

A， 层压板的面内刚度矩阵和矩阵元素（i，j = 1,2,6）

a， 层压板的面内柔量矩阵和矩阵的元素

B， 耦合刚度矩阵和矩阵的元素

c 粘性阻尼

D， 层压板的弯曲刚度矩阵和矩阵的元素

E 轴的纵向杨氏模量

纵向和横向杨氏模量，泊松比，平面外（横向/法向，纵向/法向）和平面剪切模量

f 适应函数

G 轴的横向剪切模量

g 约束函数

h 沿圆周的半波数

轴横截面惯性矩

J 极惯性矩

K 屈曲刚度矩阵

K 储备因子

k 刚度

l 无支撑轴段长度

m 质量

n 层数

P 功率

p 沿轴的半波数

q 定位序列中可能的定向的数量

r 轴半径

S 轴的横截面积

t 厚度或时间

T 轴向扭矩

u，v，w 位移（复数或实数）

拉伸和压缩纵向强度，拉伸和压缩横向强度，面内剪切强度

x, y, z 坐标

帘布层的取向

损耗因子

剪切系数

轴的泊松比

扭转模式的分布

轴的质量密度

角位置

面外横截面旋转（复数或实数）

层的面内应力（纵向，横向和剪切）

扭转模式的固有频率

弯曲模式的固有频率

Omega; 旋转速度

标注

B-，B 较低和较高的向后旋转速度

b 轴承

buck 弯曲应力

c 临界

dv 传动系统

e 外部，表面

eq 当量

F-，F 较低和较高的正向旋转速度

f 弯曲方式

G 齿轮

i 内部

inf 不及，低等

m 中等

min 最小

mat 材料的一层

nom 名义，表示

n 正弦模式的数

ply 层压板

s 轴

sup 优越，优化

T 尾旋翼

t 扭转模式

th 阈值速度

str强度

2.设计方面

2.1弯曲振动分析

当设计超临界轴时，外部阻尼必须最大化，以减少弯曲不平衡响应并增加超临界状态下的稳定性。滚动轴承提供的阻尼不足。耗散材料如弹性体最近已经用作轴承支撑作为加强的无源装置非旋转阻尼[17,18]。在这里研究了简单地安装在粘弹性支撑件上的经典滚动元件轴承上的轴对称复合轴组成的低成本配置（图1）。

基于梁和壳理论的各种方法已被用于计算复合轴的临界速度[19-21]，其中大多数被放置在无限刚性支撑上。这些理论中最简单的称为等效模量束理论（EMBT）[1]。基于这种方法，提出用Timoshenko的假设来研究旋转梁[22]，用复合材料的均质性质代替材料的各向同性性质。

这些方程也适于考虑支撑件的运动和内部阻尼项。 最后，使用的三个复杂控制方程和边界条件可以写成以下形式：

，（1）

， （2）

， （3）

， （4）

其中，，，是横截面位移是轴的挠度（参见其他参数的命名列表）。 使用[18]中给出的方法，上述方程产生了n次谐波的四个临界速度：

（5）

（6）

，，，

，，，

（7）

此外，在由对称层压体构成的复合轴的情况下，可以通过以下等式计算均匀化特性：

和其中。假设。

在转子动力学领域中，已知内部阻尼（也称为旋转阻尼）会导致超临界状态的旋转不稳定性。在文献中，通常接近由轴材料中的耗散和组装的部件之间的干摩擦导致的内部阻尼
使用粘性阻尼模型。然而，大多数材料，例如特别是碳/环氧树脂材料，显示出振动阻尼，其类似于滞后阻尼远大于粘性阻尼[24,25]。使用粘性和滞后阻尼之间的经典等价性[18]，适用于轴优化目的的分析不稳定性标准可以写成以下形式：

（8）

其中

（9）

根据（ = 0.11％， = 0.70％和 = 1.10％）的复合特性，用Adams，Bacon和Nis理论[26,27]计算表示为的等效纵向损耗因子。然后足以计算最低阈值速度，以便确定轴的旋转速度极限。

与图的情况对应的动态轴试验装置图1已开发用于验证理论结果(图2)。基本上，测试装置包括由电动机通过皮带和滑轮系统提供动力的轴，并且能够具有12,000rpm的最大测试速度。 两个非接触式激光光学位移传感器能够实时测量横截面位移。测试台的详细特性在[25,28]中给出。在支撑在粘弹性载体的长铝轴上。临界速度和测试结果为251和446上述模型是250和460，这非常接近实验数据.

不稳定的实验研究可以为动态试验台带来灾难性的风险。为此，提出了使用PVC材料研究不稳定性。 PVC材料的另一个优点是其低刚度和高阻尼
（和），这降低了临界速度和阈值速度。在超临界域（和）中测试四个具有不同长度的轴。需要高水平的加速度运行以超过第一临界速度。长度只有轴0.8米到0.9M被认为是稳定的超临界状态。将理论模型与图3中的实验结果进行比较。考虑到这些实验都难以达到较好的相关性。注意，在刚体模式和第一弯曲模式（l = 0.85m）的交点处获得稳定区域。

2.2扭振分析

利用经典方法计算扭转振动,并利用lim和darlow [ 3 ]提出的关系:

其中，

（10）

其中J_G、J_T、J_s分别是主传动装置，尾部旋翼和轴的质量惯性矩

2.3. 故障强度分析

在此只考虑轴的扭转阻力。传递的扭矩只产生平面内剪切，这可以用经典层压理论计算[23]。与不对称自由边缘层压板发生的情况相反管状结构在小位移的情况下阻挡耦合效应。这可以简单地通过在执行计算应变状态所需的反演过程之前假设经典耦合矩阵B为零来建模。

在直升机驱动轴的情况下经常使用的保守方法在于仅计算第一层的断裂。在这种情况下可以使用Tsai-Wu标准[29]来解释拉伸强度和压缩强度之间的差异，这在HM碳/环氧树脂的情况下可能是非常重要的（参见表1）：

表1

材料性能对应的体积分数为0.6

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[137411]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

材料	代码	(kgm-3)	E11(Gpa)	E22(Gpa)	E12(-)	X(Mpa)	Xrsquo;(Mpa)	Y(Mpa)
Namco 5505[1]	BEa	1965	211	24.1	0.36	1365	1586	45
T300/5208[3,4]	CEL	1680	181	10.3	0.28	1500	1500	40
K63712/M10[16]	HM	1700	370	5.4	0.3	1500	470	35