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基于ANSYS有限元的复合传动轴失效分析

发布时间: 2019-10-26 14:27  浏览次数:

碳纤维复合材料由于其高比强度和比模量以及小密度而广泛用于航空航天工业。碳纤维复合材料的可变性能参数可用于满足不同的性能要求。传动轴是复合材料的重要应用方面,目前用于航天飞机,高性能车辆和专用机器。复合材料的拉伸和压缩性能良好,缺乏复合结构设计标准或日常维护不当常成为制约复合材料有效应用的重要因素。因此,复合材料结构的有限元数值和基于它的失效分析具有很大的工程应用价值。

基于复合地基应用理论,本文针对小型飞机碳纤维复合传动轴的几何尺寸和应力特性。通过合理简化结构模型,采用刚体约束技术,适当应用边界条件和载荷,采用ANSYS软件对复合材料进行了应用。直接建模材料驱动轴,并分析驱动轴在设定扭矩下的特性。得到了复合传动轴的位移和应力云图,分析了传动轴的应力失效和应变失效。

飞机的复合驱动轴结构由碳布制成,该碳布由玻璃纤维或环氧树脂基质制成。环氧基质保护纤维并传递分布在纤维上的负荷。每层材料由不同信游娱乐的正交各向异性材料组成,其主要方向也不同。对于层压复合材料,纤维的取向决定了层的主要方向。对于传动轴结构,形成总共10层,并且从第一层到第十层的角度分别为-45°,45°,-45°,45°,-45°,45°。 -45°,45°,-45°,45°。轴承受2000NΩ的扭矩,其材料常数如表1所示。

通常,用于构建复合模型的单位类型是SHELL181,SHELL281,SOLSH190,SOLID185和SOLID186。实际工程应用应根据具体应用和所需计算类型确定。允许所有图层单元。失败准则计算。

SHELL181是一个4节点三维壳单元,每个节点有6个自由度。该装置具有完整的非线性分析功能。它主要适用于薄到中等厚度的板壳结构。通常,宽度与厚度之比应大于10.该单元允许多达250层等厚材料,或125层不等厚度材料,其在单位平面中呈现双线性变化。

基于ANSYS有限元的复合传动轴失效分析

SHELL281是一个8节点3D固体外壳单元,每个节点有6个自由度。该装置适用于薄到中厚度的板壳结构,支持线性,大旋转或大应变非线性分析; SOLISH 190是一个8节点3D外壳单元,每个节点有3个自由度。该装置适用于薄到中等厚度的板和外壳结构,并支持所有非线性功能,允许多达250层材料; SOLID185是一种8节点3D实体单元SOLID45的堆叠形式,每个单元具有3个自由度,该单元支持可塑性,超弹性,应力加强,蠕变,大变形和大应变功能。它可以模拟几乎不可压缩的弹塑性材料,也可以模拟完全不可压缩的超弹性材料。 SOLID186是一个高阶三维20节点固体结构单元,具有一次性位移模式,可以更好地模拟不规则网络实例。

该单元可以具有任意的空间各向异性,单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变能力,还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。

基于ANSYS有限元的复合传动轴失效分析

复合材料最重的特征就是其叠层结构。对于叠层复合材料,纤维的方向决定了层的主方向。通常壳由下到上逐层定义材料层的配置。底层为第一层,后续的层沿单元坐标系的Z轴方向自底向上叠加。对于每一层材料,由单元实常数表定义材料性质、每层积分点的数目。 而对于夹层结构和多层结构而言,夹层结构有两个薄的面板和一个厚度相对软的夹心层。在实际建模中,假定夹心层承受了所有的横向剪切载荷,而面板则承受了几乎所有的弯曲载荷。夹层结构可用SHELL181或SHELL281单元建立有限元模型,该两种单元通过能量等效方法模拟横向剪切偏转。

对于耦合效应来说,复合材料会体现出几种类型的耦合效应,诸如弯扭耦合、拉弯耦合等,这是由具有不同性质的多层材料互相重叠引起的。其结果是,如果材料层的积叠顺序是非对称的,则即使模型的几何形状和载荷都是对称的,也不能按照对称条件只求解一部分模型,因为结构的唯一和信游娱乐平台应力可能不对称。

对于获取准确的层间剪应力,若获取模型自由边界上层间剪切应力的精确值,则模型边界上的单元尺寸应约等于总的叠层厚度。壳单元的层间横向剪切应力的计算基于单元上下表面不承受应力的假设,这些层间剪切应力只在单元的中心处计算。基于此,在多数工程实践建模中,多采用壳-实体子模型精确计算自由边的层间应力。

对于输入数据的验证,因复合材料的求解需大量的输入数据,故在进行求解之前应对输入数据进行验证,用以列表显示所有被选单元的节点和属性、图形显示所有被选单元及所选全部单元的某一指定层。

基于上述复合材料建模技术分析及该型飞机复合材料结构特性,采用自底向上建模并逐层定义材料性质的方式,建立该传动轴有限元模型。该复合材料传动轴选用SHELL181单元,各铺层参数按45°/-45°层叠铺层进行设置。该复合材料各铺层参数设置如图1所示。

根据该传动轴设计求,该传动轴绕其轴线作旋转运动并承受扭矩作用。在限制该轴底端全部自由度的同时,为便于模拟该传动轴的扭矩作用,在接触管理器进行参数设置时,将其接触单元类型设置为Node-to-surface,将其接触表面类型设置为Rigid constraint,并将其除ROTZ外的自由度全部耦合,以形成刚性耦合的方式,模拟该传动轴扭矩输入。最终建立的有限元模型如图2所示。

利用ANSYS的静力学分析法对该复合材料传动轴受力过程进行力学分析,并运用后处理技术对数值结果进行处理,得到该复合材料传动轴在特定扭矩作用下的位移、等效应力、最大应力失效及最大应变失效云图。分别如图3~6所示。

该文介绍了一种在ANSYS软件中对复合材料结构采用APDL参数化自底向上直接建模的方法,并利用静力学分析模块,对该复合材料传动轴在特定扭矩作用下进行数值模拟分析,获取该复合材料传动轴结构的位移、应力云图。为提高该传动轴设计求提供了有效依据。


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