碳纤维复合材料弹簧的优化



碳纤维复合材料弹簧的优化

为减轻汽车自身质量，采用复合材料代替钢铁，但需要对这种替代材料进行大量的优化设计，才能得到令人满意的材料参数，最终达到钢铁的刚度。研究中采用了数值计算和模拟仿真试验，以确定复合材料的厚度等参数，采用碳纤维环氧树脂复合材料制成的弹簧能够达到钢弹簧的质量，从而可替代钢弹簧以减轻车身质量。首先，计算复合材料的剪切模量和材料厚度，并将这些参数进行试验对比。然后，利用弹簧刚度系数方程计算剪切模量和设计变量，通过这些变量获得适合的厚度参数和弹簧截面直径。最后，对由上述方法得到的弹簧参数进行验证，并采用有限元分析法进行弹簧结构优化。

采用碳纤维和环氧树脂制成的弹簧，经试验得到了以下结论：①复合材料的等效剪切模量根据逆扭转角和剪切模量之间关系进行估计，通过估计发现，当复合材料中含有16.8％的钢铁，且逆转角度在45°左右时，这种弹簧的剪切模量预测值和试验数据比较一致；②基于有限元分析，逆扭转角度为45°时，线径为17mm复合材料制作的螺旋弹簧质量能够被减轻55％。

刊名：Composites Part B（英）

刊期：2015年第1期

作者：Bok-Lok Choi

编译：刘刚