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单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的数值模拟与实验研究

发布时间:2022-12-05 08:17
  随着汽车轻量化的发展,对汽车零部件的综合性能提出了更高的要求。螺旋弹簧是减少车辆振动和冲击的重要部件,但是常规的金属螺旋弹簧质量大并且抗腐蚀性差,阻碍了汽车整体性能的提升。因此,聚合物基纤维增强复合材料螺旋弹簧因其具有优异的比刚度、比强度和良好的耐腐蚀性而受到广泛关注。本文利用有限元与实验测试结合的方法研究了单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧。通过有限元模拟分析出在弹簧线径为12 mm时其压缩性能达到最优时的弹簧中径尺寸和弹簧螺距尺寸,通过实验测试了该尺寸下螺旋弹簧的压缩性能并且与有限元仿真进行对比分析,又通过改变弹簧簧丝的结构以及往基体中加入纳米二氧化硅的方法对该尺寸下螺旋弹簧的压缩性能完成进一步优化。本文的具体研究内容如下:(1)以12 mm的弹簧线径为基准,建立了不同螺距、不同中径的螺旋弹簧模型,模拟了结构参数的变化对螺旋弹簧的压缩性能的影响。分析发现,随着复合材料螺旋弹簧的螺距的增加,弹簧的螺旋角度增加,相同的压缩载荷下轴向变形量越小,弹簧刚度呈线性增加。但是,当螺距大于42 mm时,弹簧簧丝的剪切强度安全系数小于临界值,发生横向失效。随着螺旋弹簧中径的减小,螺旋弹簧的弯矩和曲度系... 

【文章页数】:100 页

【学位级别】:硕士

【文章目录】:
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
        1.1.1 汽车轻量化现状
        1.1.2 复合材料概述
    1.2 螺旋弹簧的研究现状
        1.2.1 金属螺旋弹簧的研究现状
        1.2.2 复合材料螺旋弹簧的研究现状
    1.3 本文的研究内容
第2章 复合材料各向异性弹性力学基础
    2.1 引言
    2.2 各向异性弹性力学基本方程
        2.2.1 单弹性对称面的材料
        2.2.2 正交各向异性材料
        2.2.3 横观各向同性材料
        2.2.4 单向层压复合材料弹性常数计算
    2.3 圆形截面材料圆柱形螺旋弹簧的受力分析
    2.4 圆柱形螺旋弹簧刚度理论
    2.5 本章小结
第3章 单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的数值模拟
    3.1 引言
    3.2 复合材料螺旋弹簧的结构
    3.3 有限元模型的建立
        3.3.1 弹性常数的输入
        3.3.2 单元网格划分
        3.3.3 边界条件的设定
    3.4 不同螺距螺旋弹簧的仿真分析
        3.4.1 不同螺距螺旋弹簧的有限元模型
        3.4.2 螺距对螺旋弹簧刚度的影响
        3.4.3 不同螺距弹簧簧丝横向应力-应变分析
        3.4.4 不同螺距弹簧簧丝轴向应力-应变分析
        3.4.5 不同螺距弹簧簧丝轴向的失效判断
    3.5 不同中径螺旋弹簧的有限元分析
        3.5.1 不同中径螺旋弹簧的有限元模型
        3.5.2 中径对复合材料螺旋弹簧刚度的影响
        3.5.3 不同中径弹簧簧丝横向应力-应变分析
        3.5.4 不同中径弹簧簧丝轴向应力-应变分析
        3.5.5 不同中径弹簧簧丝轴向的失效判断
    3.6 螺旋弹簧结构参数交互作用
    3.7 本章小结
第4章 单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的性能测试
    4.1 引言
    4.2 实验材料
    4.3 试样的制备
    4.4 纤维体积分数的计算
    4.5 螺旋弹簧压缩性能测试
    4.6 螺旋弹簧的刚度分析
    4.7 最大压缩量下弹簧性能分析
    4.8 螺旋弹簧簧丝横向剪切测试
    4.9 螺旋弹簧横向剪切应力-应变分析
    4.10 螺旋弹簧簧丝轴向的拉伸测试
    4.11 螺旋弹簧簧丝轴向应力-应变分析
    4.12 拉伸断口的微观分析
    4.13 本章小结
第5章 单向玄武岩纤维复合材料螺旋弹簧的性能提升
    5.1 引言
    5.2 仿生簧丝结构簧螺旋弹簧的性能分析
        5.2.1 仿生结构
        5.2.2 复合材料螺旋弹簧的制作
        5.2.3 实验样件与测试
        5.2.4 压缩性能分析
        5.2.5 复合材料螺旋弹簧的失效模式
    5.3 添加纳米二氧化硅螺旋弹簧的性能分析
        5.3.1 实验材料
        5.3.2 试样制备
        5.3.3 试验样件与测试
        5.3.4 螺旋弹簧的刚度分析
        5.3.5 螺旋弹簧的疲劳分析
        5.3.6 微观界面分析
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士期间取得的主要成果
致谢



本文编号:3710030

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