作品包括

Word版说明书1份，共49页，约17000字

CAD版本图纸，共4张

摘 要

推力轴是船舶动力系统中传递扭矩和推力的重要部分。随着科技水平的提高，对推力 轴性能的要求也在提高。而金属材料推力轴在其金属性能的局限性下很难有大的性能提升， 选择性能更佳的材料是解决这个问题的方法之一。 

碳纤维复合材料是由基体材料和碳纤维复合而成的先进材料，有着比强度比模量高、阻尼性能好和可设计性强等优点，在船舶、车辆、航空航天和风力发电等领域有较广泛的应用，是推力轴材料的优秀选择。 

本文针对碳纤维复合材料推力轴进行了设计计算，主要工作如下： 

首先对碳纤维复合材料推力轴的总体方案进行研究。在材料上，对比了全碳纤维复合材料结构和碳纤维复合材料轴管加金属法兰、推力盘结构的优缺点，基于工艺性和材料特性的考虑选择了后者；在连接形式上，比较了机械连接和胶接的优缺点，基于结构和工艺性考虑选择了胶接。最后总体结构设计为中间为金属推力盘，两端分别胶接一个碳纤维复合材料轴管，轴管的另一端分别胶接一个金属法兰的结构形式; 

其次通过强度校核公式确定了金属法兰和推力盘的最小直径，查阅手册确定其它尺寸后，建立法兰和推力盘的三维模型并用有限元软件进行强度校核； 

最后利用 MATLAB 和 ANSYS workbench 对碳纤维复合材料轴管进行设计计算，提出 7 种方案后，对各方案刚度、最先一层失效强度以及应力、扭转角和屈曲强度分析。确定了满足要求的最佳方案后，对该方案进行了针对轴管和整根推力轴的模态分析，确定了临界转速。 

 关键词：碳纤维复合材料；推力轴；结构设计

目 录

第 1 章 绪论 1

• 研究背景 1

• 目的和意义 1

• 国内外研究现状 2

• 国内研究现状 2

• 国外研究现状 3

• 主要研究内容 4

第 2 章 碳纤维复合材料设计理论基础 5

• 单层板的刚度与强度 5

• 单层板的正轴刚度 5

• 单层板的偏轴刚度 6

• 单层板的失效准则 7

• 层合板的刚度与强度 8

• 层合板的刚度 8

• 层合板强度计算方法 11

第 3 章 碳纤维复合材料推力轴结构设计 13

5.1 性能要求 13

5.2 总体设计 13

5.3 法兰和推力盘设计 14

3.3.1  材料 15

• 设计与校核 15

5.4 胶层设计 16

5.5 碳纤维轴管设计 17

3.5.1  材料 17

• 成形工艺 17

• 铺层设计 18

• 铺层设计原则 18 

• 铺层方案的提出 18

• 对各方案的性能计算 19

5.6 结构图纸 27

第 4 章 碳纤维复合材料推力轴动力学分析 29

4.1 碳纤维复合材料轴管的模态分析 29

4.1.1 基于经验公式的模态分析 29

4.1.2 基于 ANSYS workbench 的模态分析 29

4.2 碳纤维复合材料推力轴的模态分析 30

第 5 章 总结与展望 32

5.1  总结 32

5.2  本文的不足和展望 32

参考文献 33

附录 A 方案 3 的最先一层失效强度计算程序 35

致谢 39

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