第 1 章 绪 论
1.1 编织结构复合材料简介
编织结构复合材料是指由芳纶、玻璃、碳等纤维通过二维或三维编织技术编织成纤维与纤维之间连续交织的预成型件，这种预成型件属于不可分层的整体，然后将预成型件与基体材料复合而成，是一种先进的复合材料。编织复合材料具有良好的力学性能：比模量和比强度高、损伤容限高、良好的抗疲劳与阻尼性能等。相比传统层合复合材料，编织复合材料具有结构整体性，克服了层合材料层间易分层断裂的缺点[1]。随着近年来编织复合材料的研究越来越多，编织复合材料的应用越来越广泛。编织技术的发展推动了编织复合材料的发展，编织技术是一门历史悠久的纺织技术，早在古代人们便开始利用纺织技术制造衣物、布匹等[2]。20 世纪 80 年代开始，人们开始将编织技术应用到复合材料中，将三维制件与树脂基体材料经过成型工艺结合在一起，开发出一种新型的复合材料。三维编织复合材料不仅拥有着层合复合材料重量轻、高强度等优点，而且还拥有层合复合材料不具备的特性[3-7]。（1）三维编织件是纤维束在空间相互交织而成的，具有不可分层的整体性。传统的层合复合材料由于通过叠层工艺而成的，具有层与层之间的剪切性能差，层间易分离断裂的缺点。而三维编织结构是一次编织、整体成型的预制件，纤维束在空间结构相互交织，沿厚度方向也有纤维束的通过，是一种空间不分层的网状结构，根本不存在“层”的问题，这就很大程度上增强了复合材料的径向的力学性能。（2）三维编织技术可以实现不同形状的预制件整体编织、一次成型。三维编织技术的发展大大促进了编织复合材料的发展与应用，利用三维编织机，不仅可以整体编织圆形、矩形的编织件，还可以编织工形梁、十字梁、圆锥套件等其它形状的制件。三维编织技术编织异型件时，纤维束在纱锭的牵引下在空间相互交织交叉，充满整个制件，形成整体的网状结构。三维编织技术原理上可以实现编织任意厚度、直径的预制件，这些预制件在编织完成后通过成型工艺直接形成复合材料制件，省去了机械加工这一步骤，更能充分利用纤维的特性。
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1.2 复合材料传动轴的发展历程
汽车传动轴主要用来传递扭矩，是汽车上重要的传递动力的部件。汽车传动轴在工作时的转速高达每分钟几千转，在工作过程中，传动轴的两端轴心不在同一水平线上，且在高速转动过程中轴心容易发生变化，这便要求传动轴的材料具有很好的性能。传统上选取金属作为汽车传动轴的材料，但是金属材料的传动轴有很多缺点：不仅需要润滑油的润滑，并且容易磨损，一旦传动轴出现磨损，传动轴会产生质量偏心的情况，使传动轴高速转动下发生振动，产生噪音，既损失了发动机的功率，又加速了传动轴的损坏[8]。为了解决传统金属传动轴的缺点，复合材料传动轴应运而生并得到快速的发展。碳纤维复合材料传动轴具有高强度、重量轻等一系列优点，在汽车行业得到广泛的应用。新能源的提出，使人们更加注重汽车的轻量化、环保、安全等，更一步推进了碳纤维复合材料在汽车方面的应用[9]。美国摩里逊公司率先开始了复合材料传动轴的生产，其生产的碳纤维复合材料传动轴主要是在载重汽车方面，取代了原来的两件传动轴，减轻了 60%的重量[10]。1984 年，福特公司考虑到使用成本，将碳纤维改用玻璃纤维，生产出玻璃纤维复合材料传动轴，并将其应用到汽车领域。玻璃纤维复合材料具有良好的抗扭曲强度，是金属材料的两倍以上，经过试验验证，所能承受的最大扭矩力远大于安全值。早期的复合材料传动轴的增强材料主要是玻璃纤维，并不是说玻璃纤维的性能比碳纤维更好，而是考虑到碳纤维的成本比玻璃纤维高，且玻璃纤维复合材料的性能也能满足汽车传动轴的要求。随着碳纤维复合材料的研究越来越深入，在 1988 年，GKN公司将碳纤维复合材料用来生产传动轴，并将其应用在 Renault Espace Quadra 上，从此以后碳纤维复合材料在汽车传动轴应用越来越广泛。1992 年，RSQ 使用的传动轴在结构上做了改进，由原来金属三段式改为金属和复合材料传动轴两段轴，大大减轻了传动轴的重量，减重了 40%[11]。
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第 2 章 编织结构复合材料分析方法
2.1 有限元分析理论介绍
限元法的基本思想是将求解区域划分为由节点连接的一系列单元，利用单元节点量通过选定的函数关系插值来求得单元内部节点的待求量。因为单元的形状比较简单，可以很容易利用平衡关系和能量关系来建立节点量之间的方程式，从而将无限自由度问题转化为有限的自由度问题，这些有限的自由度是离散的。在使用有限元法求解时，单元的数目越多，求得的解越精确，当单元满足收敛要求时，所求得的近似解将收敛于精确解。从上世纪 50 年代，便开始利用有限元法解决飞机结构的矩阵分析问题，随着计算机技术的发展，有限元法得到广泛应用[39-40]。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，利用由节点联系起来的单元，用有限元数量未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。有限元模型是由一些简单形状的单元组成，单元之间是由节点相互作用而连接起来的，并能承受一定的载荷，节点具有一定的自由度。
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2.2 编织复合材料传统有限元建模方式
编织复合材料由于其内部纤维束的走向错综复杂，想要建立出能够真实反映出内部纤维增强相和基体相的真实关系的有限元模型很困难[45]。传统的建模方法通常采用布尔操作，将包含基质相和基体相的模型减去基质相模型，得到真实的基体相模型，然后再将真实的基体相模型和基质相模型整合到一起，最终得到基体相和基质相没有交叉重叠的整体编织复合材料有限元模型[46]。此外，为了能够真实反映基体相和基质相之间的力学关系，需要在两相的界面处添加特殊的单元。在传统的建模方式中，主要的难点是基体相和基质相交界面的处理，而交界面通常处于一个很小的接触位置，这又给建立正确的模型带来困难。因此，利用传统方法建模，往往会花费很长时间，甚至有时候因为界面处理问题而无法得到收敛的结果。对于编织复合材料，虽然传统建模方法能够真实的反映基体相和基质相的空间关系，使计算结果更能接近实际情况，但是由于其建模的复杂性，在实际建模和分析处理过程中也会面临很多困难[47]。传统的建模方法需要建立正确的基体相和基质相得有限元模型，在建立基体相的有限元模型时，一般通过布尔操作进行“减”操作的到基体的模型。在整体模型中，要求基体相和基质相之间不能有相互交叉和重叠的现象，而编织复合材料中纤维束的空间走向往往是错综复杂的，光是处理这些交叉重叠的部分也会花费很多的时间，会使建立模型阶段投入很多的精力。
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第 3 章 编织复合材料传动轴参数化建模.....15
3.1 编织结构复合材料在分析时的假设条件...... 15
3.2 纤维增强相的纤维束轨迹方程............. 16
3.2.1 三维五向管状织件编织运动原理...........16
3.2.2 编织增强相纱线的轨迹方程..........18
3.3 传动轴有限元模型建立要点....... 20
3.4 编织复合材料传动轴模型的建立.........22
3.5 本章小结..........26
第 4 章 编织复合材料传动轴的有限元分析...........28
4.1 编织复合材料传动轴的静力学分析.....28
4.1.1 编织复合材料传动轴静力分析......28
4.2 传动轴的强度失效判断......31
4.3 编织角对传动轴扭转性能的影响.........35
4.4 编织复合材料传动轴的模态分析.........37
4.5 传动轴转速对固有频率的影响............. 39
4.6 本章小结...........42
第 5 章 编织复合材料传动轴分析软件的开发...... 43
5.1 软件介绍...........43
5.2 分析软件的操作说明..........44
5.3 本章小结...........49
第 5 章 编织复合材料传动轴分析软件的开发
5.1 软件介绍
本节介绍的编织复合材料传动轴有限元分析软件是基于 Microsoft visual basic6.0软件开发的，具有 Windows 风格的操作界面。Visual Basic 软件是一种可视化、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言。用 VB6.0 开发的编织复合材料传动轴有限元分析软件也具有可视化的特点，通过内置调用 ANSYS 程序，通过可视化的界面到达分析计算的目的，这就避免了不熟悉 ANSYS 软件的用户分析时带来的不便。因此开发编织复合材料传动轴有限元分析软件对于用户更加方便的分析计算具有重要意义。通过改变模型的不同参数，以便得到不同参数下的分析结果，这对于编织复合材料传动轴的系列化分析也提供了方便的途径，同时也为用户提供了不同条件下的分析结果和分析数据进行对比，从而能选出更符合用户要求的传动轴，为用户设计传动轴提供了真实可信的理论依据。本软件包含了编织复合材料传动轴有限元分析的各个环节，包括材料属性的设置、模型参数的设置、模型的生成、静力分析计算、模态分析计算、计算结果查询、生成计算结果报告、查看结果报告等功能，且各种功能模块都实现了可视化界面。不会使用 ANSYS 的用户也可以通过使用界面进行编织复合材料传动轴的有限元分析，并从结果文件里查看计算结果报告。这样既节省的用户的分析时间，又能方便系列化的分析，不用再每个尺寸建一个模型而浪费时间，对于生产的批量化具有重要意义。
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结论
本文以编织复合材料传动轴为研究对象，以区域有限元叠合法为基础上建立了编织复合材料传动轴的整体构件的参数化有限元模型，并完成了对传动轴的静力学分析、模态动力学分析，对传动轴进行了强度失效判断，研究了编织角对传动轴扭转特性的影响，传动轴转速对固有频率的影响，并在此基础上开发了编织复合材料传动轴设计分析软件。本文主要取得的研究成果如下：（1）利用有限元区域叠合法，建立了编织结构复合材料传动轴的整体构件的有限元模型，其中包括三维五向编织结构增强体和树脂基体，并通过 ANSYS 分析计算得到了传动轴的等效应力云图和总体位移云图,并基于 Tsai-Wu 准则进行了强度失效判断。（2）研究了传动轴三维增强体的编织角对扭转特性的影响，通过对比分析 15°~90°（每隔 15°）编织角下的传动轴的扭转特性，得到当编织角为 45°时，传动轴的扭转特性最好。（3）对传动轴整体模型进行了模态分析，在模态分析中，考虑了转速的影响，得到了传动轴的固有频率和振型，为传动轴的设计提供理论依据。（4）研究了传动轴转速对固有频率的影响，对转速为 0~4000r/min（每隔 500）时，固有频率的变化，得到固有频率随转速的变化曲线，由转速-固有频率曲线可得到结论，传动轴的固有频率随转速的增加而减小。（5）基于可视化编程软件 Visual Basic 6.0 和有限元分析软件 ANSYS 开发了编织复合材料传动轴结构设计及优化软件，该软件能实现对传动轴结构设计以及有限元分析计算。
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参考文献(略)