基于VARI的复合材料压缩螺旋弹簧制备与性能研究

摘要

压缩螺旋弹簧在各行业有着广泛应用，与传统金属材料相比，纤维增强复合材料的各项性能优异，在弹簧领域具有很广阔的应用前景，开发一种工艺过程简单、可设计性强、最终性能优异的复合材料螺旋弹簧制备方法具有重要意义。本文基于VARI工艺，提出一种采用两步法制备碳纤维复合材料压缩螺旋弹簧的新方法，对纤维增强体结构进行了设计与制备，对树脂注射过程、簧丝及压缩螺旋弹簧性能等问题进行了模拟与实验研究。其主要研究内容如下:
　　针对三种簧丝用碳纤维增强体进行了研究，详细阐述了其制备方法和原理，给出了纤维含量的理论计算公式。同时研究了纤维增强体结构及纤维含量对纤维和树脂在簧丝截面上分布的影响，得出纤维含量越高，纤维集束之间的富树脂区越少;当纤维含量相同时，伸直平行增强体结构的富树脂区要少于合股加捻或包缠增强体结构的富树脂区。
　　采用PAM-RTM软件对高长径比复合材料的树脂填充过程进行了模拟，着重研究了孔隙率、树脂注射压力、树脂粘度、模具管径等参数对模拟过程的影响，并与实际树脂填充过程相比较。研究表明，纤维集合体的孔隙率越大、注射压力越大、树脂粘度越低，树脂的填充速度越快，在模具直径大于4mm、注射压力高于0.3MPa、树脂粘度不高于900mPa·s、纤维体积含量不高于60％的情况下，可以实现较长试件的快速注射，所需注胶时间最高不超过2h。
　　利用ABAQUS有限元软件对钢制弹簧和单向纤维复合材料弹簧进行压缩模拟。研究表明，弹簧在受压时，无论是常规钢制弹簧还是复合材料弹簧，其簧丝截面内应力分布从整个弹簧上看，都是分布于截面外围或两侧。采用合股加捻及包缠结构增强体，同时将合股加捻的方向或包缠方向与弹簧的种类（拉伸或压缩）及弹簧的旋向相互配合，能有效提高簧丝的抗扭性能。
　　测试并探讨了几类基本因数，如纤维含量、纤维增强体结构等对本实验复合材料压缩螺旋弹簧刚度的影响。得出纤维含量越高，簧丝的扭转模量越大，最终弹簧的弹簧常量越大;与单向纤维增强体相比，采用合股加捻及包缠结构作为增强体所获得簧丝及弹簧性能均得到改善，其中包缠结构性能最为优异。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 RTM工艺研究现状

1．1．1 工艺简介

1．1．2 工艺流程

1．2 VARI工艺研究现状

1．2．1 工艺简介

1．2．2 工艺流程

1．3 复合材料螺旋弹簧研究现状

1．3．1 弹簧的基本介绍

1．3．2 复合材料螺旋弹簧的国内外研究情况

1．4 本文的研究内容

第二章 实验方法

2．1 主要实验原料和仪器

2．2 复合材料压缩螺旋弹簧制备流程

2．3 实验具体过程及注意事项

2．3．1 实验前准备

2．3．2 连接装置并检查密闭性

2．3．3 树脂注入

2．3．4 拆卸装置并密封固定模具

2．3．5 固化和后固化

2．3．6 脱模及后处理

2．4 实验测试方法概述

2．4．1 树脂浇铸体拉伸性能测试方法

2．4．2 杆件试样扭转性能测试方法

2．4．3 螺旋弹簧压缩性能测试方法

第三章 簧丝用纤维增强体的设计与制备

3．1 伸直平行结构

3．1．1 制备方法

3．1．2 纤维体积含量的计算

3．2 合股加捻结构

3．2．1 制备方法

3．2．2 纤维体积含量的计算

3．3 包缠结构

3．3．1 制备方法

3．3．2 纤维体积含量的计算

第四章 簧丝的树脂填充过程模拟与研究

4．1 用PAM-RTM模拟树脂流动过程

4．2 实际树脂流动过程

4．3 实际树脂流动与模拟对比

4．4 本章小结

第五章 复合材料压缩螺旋弹簧的结构设计与力学模拟

5．1 圆柱形螺旋弹簧的基本参数

5．2 压缩螺旋弹簧的受力分析

5．3 纤维增强体捻向的设计

5．4 本实验复合材料压缩螺旋弹簧的设计

5．5 基于ABAQUS压缩螺旋弹簧基本力学的有限元模拟

5．5 本章小结

第六章 复合材料簧丝与压缩弹簧的性能研究

6．1 树脂浇铸体拉伸性能测试与分析

6．2 复合材料杆件扭转性能的测试与分析

6．2．1 复合材料杆件的实物外观

6．2．2 复合材料杆件的扭转测试

6．3 复合材料压缩螺旋弹簧的压缩性能测试与分析

6．3．1 注意事项

6．3．2 复合材料压缩螺旋弹簧实物外观

6．3．3 复合材料压缩螺旋弹簧的压缩性能测试

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢