非等厚碳纖維復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作

王曉宏，劉長(zhǎng)喜，畢鳳陽(yáng)，武玉芬，邢立峰，張豐發(fā)

（1.黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京1022113；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江哈爾濱150078）

0 引言

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合材料）具有較高的比強(qiáng)度、比模量、耐腐蝕性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)越的性能.因此，這類(lèi)材料在航空航天、船舶、交通運(yùn)輸，建筑等領(lǐng)域內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用［1-5］.隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，以往的金屬材料結(jié)構(gòu)也將逐漸地被復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所取代.

彈性聯(lián)軸器是一種具有很高的彈性和一定阻尼特性的結(jié)構(gòu)，用于改善軸系的運(yùn)行情況，調(diào)整傳動(dòng)裝置軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，補(bǔ)償振動(dòng)、沖擊所引起的主、從動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)位移（包括角向位移和軸向位移），并不間斷地傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)，廣泛用于船舶、重型汽車(chē)等行業(yè)的柴油機(jī)動(dòng)力裝置及具有較大干擾力矩的傳動(dòng)裝置軸系中.彈性元件是彈性聯(lián)軸器中關(guān)鍵的零部件，決定彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)性能的優(yōu)良，分為金屬?gòu)椥栽头墙饘購(gòu)椥栽纱箢?lèi).在中小轉(zhuǎn)矩和環(huán)境比較惡劣的條件下，非金屬?gòu)椥栽膹椥月?lián)軸器更受人們的青睞［6-9］.

本文利用“等代設(shè)計(jì)法”，基于通用數(shù)值分析軟件ABAQUS，設(shè)計(jì)一種非等厚的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)，在保證其強(qiáng)度以及扭轉(zhuǎn)剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)傳遞扭矩和位移補(bǔ)償?shù)墓δ?研究包括以下幾個(gè)部分：

1）非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)；

2）非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的制作；

3）非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的性能測(cè)試.

1 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)方法包括：“等代設(shè)計(jì)法”、“準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法”和“主應(yīng)力設(shè)計(jì)法”等，其中“等代設(shè)計(jì)法”適用于載荷和使用環(huán)境不變的條件下，用相同形狀的復(fù)合材料層合板來(lái)代替其他材料，并用原來(lái)材料的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或剛度要求［10-12］.研究中采用“等代設(shè)計(jì)法”，以Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì).

1.1 Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度

Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Designation properties ofTi alloy elastic disc structure

圖1 Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型Fig.1 The numerical model for the Ti alloy elastic membrane plate structure

基于上述模型，進(jìn)行Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算，其結(jié)果如圖2所示.

1.2 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)

建立復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型（過(guò)程及方法同Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型），分析不同鋪層角度的斜交對(duì)稱(chēng)鋪層（［0°］8s、［15°］8S、［30°］8S、［45°］8S、［60°］8S、［75°］8S和［90°］8S）的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)在扭矩T、軸向位移載荷以及彎矩載荷M作用下的力學(xué)性能，即研究不同的鋪層角度對(duì)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)傳遞扭矩的能力、位移補(bǔ)償能力的影響.

在扭矩T（T=4.8kN·m）的作用下，彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的最大扭轉(zhuǎn)角隨著斜交鋪層角度變化的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.

圖3 扭矩T作用下不同斜交對(duì)稱(chēng)鋪層角度的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角Fig.3 Torsion angles of composite elastic membrane plate structure with differentoblique symmetrical layer angles under the torque T

圖2 Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)Fig.2 Torsional rigidity curve of Ti alloy elastic membrane plate structure

由圖3可知：當(dāng)彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)采用［45°］8S的斜交對(duì)稱(chēng)鋪層形式時(shí)，結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角是最小的，說(shuō)明該角度的鋪層形式可以使彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)具有很高的傳遞扭矩的能力.因此，在復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)中可以考慮該鋪層角度的設(shè)置.

在軸向位移載荷（2.5mm）的作用下（載荷及鋪層編號(hào)的示意圖見(jiàn)圖4），各種斜交對(duì)稱(chēng)鋪層形式的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中各鋪層內(nèi)的最大應(yīng)力如圖5所示.

圖4 軸向位移載荷及鋪層編號(hào)的示意圖Fig.4 Schematic diagram of axial displacement loading and layer number

由圖5可知：［0°］8S（徑向）彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中各鋪層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，而［90°］8S（環(huán)向）彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中各鋪層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力最小.這表明在軸向位移補(bǔ)償過(guò)程中，增加90°鋪層可以增加彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的軸向補(bǔ)償能力.因此，在彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)中，90°鋪層應(yīng)給予考慮.

圖5 軸向位移載荷作用下不同斜交對(duì)稱(chēng)鋪層角度的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中各鋪層內(nèi)的最大應(yīng)力Fig.5 The maximum stress in each layer of composite elastic membrane plate structure with different oblique symmetrical layer angles under axial displacement loading

相同的彎矩M的作用時(shí)，載荷示意圖見(jiàn)圖6.各種斜交對(duì)稱(chēng)鋪層形式的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中各鋪層內(nèi)的最大應(yīng)力如圖7所示.

圖6 彎矩載荷M的示意圖Fig.6 Schematic diagram of bending moment M

圖7 彎矩載荷M作用下不同斜交對(duì)稱(chēng)鋪層角度的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中各鋪層內(nèi)的最大應(yīng)力Fig.7 The maximum stress in each layer of composite elastic membrane platestructure with different oblique symmetrical layer angles under bending moment M

由圖7可知：［0°］8S與［±15°］8S小角度鋪層以及［90°］8S鋪設(shè)的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力為最小.因此，在彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)中，應(yīng)給予考慮.

由此可見(jiàn)：在復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮0°，90°，45°度幾種鋪層角度，以便更好地實(shí)現(xiàn)彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)傳遞扭矩以及進(jìn)行軸向位移補(bǔ)償和角向位移補(bǔ)償?shù)墓δ?

當(dāng)不同角度的鋪層在鋪層設(shè)計(jì)中所占的比例不同時(shí)也將對(duì)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響.因此，設(shè)計(jì)10種含有不同比例的0°，90°，±45°鋪層形式的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)（共16層），如表2.

表2 不同鋪層角度比例設(shè)置Tab.2 Angle ratio of different layers

在扭矩T作用下，不同鋪層形式的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大扭轉(zhuǎn)角如圖8所示.

由圖8可以看出：表2中1，2，3，4號(hào)鋪層形式（只有0°和90°鋪層角度）的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角基本一致且較大.這說(shuō)明當(dāng)只有0°和90°鋪層角度時(shí)，彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)傳遞扭矩的能力較低且不會(huì)隨著這兩種鋪層角度比例的變化而變化.表2中5～10號(hào)這幾種鋪層形式的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)在扭矩T的作用下，產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角較小，且隨著45°鋪層含量的增加而減少.并且可以看出：表2中6和7號(hào)，8和9號(hào)這兩組鋪層形式的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角基本相等，即當(dāng)45°鋪層的含量一定時(shí)，彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的傳遞扭矩的能力不會(huì)隨著0°和90°鋪層比例的變化而變化.所以，在彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)中，為使彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)具有很高的傳遞扭矩的能力，應(yīng)確保45°鋪層在彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)鋪層中的含量.

在相同軸向位移載荷的作用下，各種不同鋪層角度比例的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的軸向剛度的計(jì)算結(jié)果，如圖9所示.

圖8 扭矩T作用下不同鋪層角度比例彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角Fig.8 Torsion angle of composite elastic membrane plate structure with different layer angles with the torque T

圖9 軸向位移載荷作用下不同鋪層角度比例的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)軸向剛度Fig.9 The axial stiffness of elastic membrane plate structure with different angle ratios under axial displacement loading

圖9 可以看出：表2中4號(hào)鋪層角度比例的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的軸向剛度最大，5號(hào)和10號(hào)鋪層角度比例的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的軸向剛度最小.即在彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)中，如果沒(méi)有0°鋪層將會(huì)降低結(jié)構(gòu)的軸向剛度.此外，各種鋪層角度比例中，隨著0°鋪層比例的增加，結(jié)構(gòu)的軸向剛度隨之增大.因此，在復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮0°鋪層的比例，在保證彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度的條件下，提高其軸向補(bǔ)償?shù)哪芰?

在相同的彎矩載荷M作用下，各種不同鋪層角度比例的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)角向補(bǔ)償能力的計(jì)算結(jié)果，如圖10所示.

圖10 彎矩載荷M作用下不同鋪層角度比例的彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)角向補(bǔ)償能力Fig.10 The angular compensation capability of elastic membrane plate structure with different layering angle ratios under bending moment M

由圖10可以看出：當(dāng)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中只含有0°和90°鋪層時(shí)，即表2中1，2，3，4號(hào)的鋪層形式，彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的角向補(bǔ)償能力將隨著0°鋪層的增加而逐漸降低.當(dāng)鋪層中含有一定比例的45°鋪層角度時(shí)，0°和90°鋪層比例的改變對(duì)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)角向補(bǔ)償能力的影響不明顯.當(dāng)鋪層中沒(méi)有0°鋪層角度時(shí)（表2中只有45°和90°鋪層，即5號(hào)和10號(hào)鋪層形式），復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的角向補(bǔ)償能力又有明顯地增加.由此可見(jiàn)：0°鋪層在彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)鋪層形式的比例對(duì)其角向補(bǔ)償能力具有明顯的影響，鋪層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給與充分的考慮.此外，90°鋪層可以提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)屈服力.因此，為避免彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)在傳遞扭矩過(guò)程中，出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，在鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)?shù)乜紤]90°鋪層的比例.

根據(jù)上述的鋪層角度和不同鋪層角度比例對(duì)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)傳遞扭矩以及進(jìn)行位移補(bǔ)償能力影響的計(jì)算分析結(jié)果，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)的“等代設(shè)計(jì)法”，以Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為基準(zhǔn)，在保證復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的基礎(chǔ)上，采用變厚度的鋪層形式進(jìn)行復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)傳遞扭矩和進(jìn)行位移補(bǔ)償?shù)哪芰?，?jīng)反復(fù)計(jì)算所設(shè)計(jì)的非等厚度復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的幾何模型及其截面形式，如圖11所示.

圖11 非等厚度復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.11 Design of non-uniform thickness composite elastic membrane plate structure

其中：0°鋪層為復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的徑向方向，90°鋪層為復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的環(huán)向方向.計(jì)算該鋪層形式的非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度并將之與Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度性能的對(duì)比，如圖12所示.

由圖12可知：Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為1.759 kN·m/（°），非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為1.699 kN·m/（°），誤差為3.4%，該鋪層設(shè)計(jì)的非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度性能可以達(dá)到Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度性能指標(biāo)，符合“等代設(shè)計(jì)法”的設(shè)計(jì)原則.根據(jù)此設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行非等厚復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的制作并進(jìn)行其力學(xué)性能的測(cè)試.

2 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的制作

根據(jù)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用模壓成型工藝［13］制作復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)，其制作過(guò)程如圖13所示.

圖13 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)制作過(guò)程圖Fig.13 Fabrication process of composite elastic membrane plate structure

圖12 Ti合金-復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度性能的對(duì)比Fig.12 Comparison of torsional rigidity betweenTi alloy and composite elastic membrane plate structure

1）進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)及制作，模具設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮膜盤(pán)結(jié)構(gòu)成型后脫模的方便以及成型過(guò)程中的加壓處理，模具結(jié)構(gòu)如圖14所示.

2）根據(jù)復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)結(jié)論，將預(yù)浸料分切成所需的不同角度的圖形，按照鋪層順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)的鋪層制作.膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)過(guò)程如下：模具的清理——預(yù)浸料的預(yù)熱——鋪設(shè)——合模.而后，按照預(yù)浸料的工藝參數(shù)進(jìn)行固化成型處理，其固化歷程如圖15所示.

圖14 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)制作模具Fig.14 Making mold for composite elastic membrane plate structure

圖15 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)制作固化歷程Fig.15 The curing process for composite elastic membrane plate structure

3）待試件完全冷卻后，將其從固化爐中取出，進(jìn)行最后的脫模與后處理加工工作.脫模后，復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖16所示.

圖16 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.16 Composite elastic membrane plate structure

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

在復(fù)合材料膜盤(pán)結(jié)構(gòu)正反兩面選取呈90°的兩個(gè)徑向線(xiàn)分別等距離粘貼45°應(yīng)變花，1#和01#（#表示實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變花粘貼序號(hào)，下同）應(yīng)變花為軸向投影同位置且距離輪轂最近，2#和02#應(yīng)變花為軸向投影同位置且在盤(pán)面中間，3#和03#應(yīng)變花為軸向投影同位置且距離輪緣最近，應(yīng)變花的粘貼位置如圖17所示.

圖17 復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)變花粘貼位置Fig.17 Position of strain flower pastingon the composite elastic membrane plate structure in torsion test

利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)施加扭矩載荷T（T=0～5 kN·m），進(jìn)行復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如圖18所示.

由圖18可知：當(dāng)扭矩為0～5 kN·m，復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)不同位置不同方向的應(yīng)變均在0～200 με范圍變化，最大應(yīng)變量0.02%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于復(fù)合材料安全應(yīng)變量（0.5%），這表明所設(shè)計(jì)制作的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到4.8 kN·m扭矩的設(shè)計(jì)指標(biāo).此外，由圖17可以看出：復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)經(jīng)加載后卸載，其不同位置不同方向的應(yīng)變值基本能夠?qū)崿F(xiàn)回溯，反映復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)內(nèi)基本無(wú)殘余應(yīng)變，結(jié)構(gòu)處于彈性變形范圍.

圖18 扭矩載荷T作用下復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)不同位置不同方向的應(yīng)變分布Fig.18 The strain distribution in different positions and directions of composite elastic membrane plate structure with the torque T

3.2 軸向補(bǔ)償能力測(cè)試

在膜盤(pán)結(jié)構(gòu)表面選取呈90°的兩個(gè)徑向線(xiàn)，分別等距離粘貼3個(gè)45°應(yīng)變花，編號(hào)為01#～03#和04#～06#，01#和04#應(yīng)變花距離輪轂最近，02#和05#應(yīng)變花在盤(pán)面中間，03#和06#應(yīng)變花距離輪緣最近.采用位移加載試驗(yàn)臺(tái)給膜盤(pán)結(jié)構(gòu)施加0～3.5mm軸向位移載荷，采用4個(gè)位移百分表均布于膜盤(pán)結(jié)構(gòu)中心輪轂位置，記錄軸向位移數(shù)值，采用應(yīng)變儀記錄應(yīng)變花數(shù)值.應(yīng)變花的粘貼以及測(cè)試裝置如圖19所示.

圖19 軸向位移載荷下應(yīng)變花的粘貼以及測(cè)試裝置Fig.19 Strain gauge and testing device under axial displacement load

復(fù)合材料膜盤(pán)結(jié)構(gòu)表面由輪轂至輪緣不同方向的應(yīng)變分布情況如圖20所示.

由圖20可知：在軸向位移載荷0～3.5mm作用下，復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)不同位置不同方向的應(yīng)變均在0～2 200με范圍變化，其最大應(yīng)變量0.22%，小于復(fù)合材料安全應(yīng)變量（0.5%），表明膜盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)3.5mm位移補(bǔ)償要求.此外，由圖19可以看出經(jīng)加載后卸載，其不同位置不同方向的應(yīng)變值基本能夠?qū)崿F(xiàn)回溯，結(jié)構(gòu)處于彈性變化范圍.

4 結(jié)論

基于通用數(shù)值分析軟件ABAQUS，利用“等代設(shè)計(jì)法”，設(shè)計(jì)并制作非等厚的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)測(cè)試，得到結(jié)論如下：

1）非等厚的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)剛度性能可達(dá)到原Ti合金結(jié)構(gòu)的剛度性能.

2）采用模壓成型工藝制作復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)在扭矩T和軸向位移載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試.結(jié)果表明：該復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳遞5 kN·m扭矩的能力，同時(shí)又具有一定的軸向位移（3.5mm）補(bǔ)償?shù)哪芰?

3）本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)可以取代現(xiàn)有的彈性聯(lián)軸器中的Ti合金彈性膜盤(pán)結(jié)構(gòu)，有利于拓寬彈性聯(lián)軸器的應(yīng)用領(lǐng)域.此外，本文的研究思路對(duì)現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值.