碳纤维复合材料与传统的金属材料相比，具有比模量高、比强度高、抗疲劳性能和减振性能好等优点，目前被广泛应用于各个领域。由于复合材料具有可设计性，它越来越多地被用于高速旋转和大长径比传动轴的制造中，与金属传动轴相比，碳纤维复合材料传动轴不仅质量轻，具有很好的耐疲劳性和耐腐蚀性，而且噪声小、振动衰减性好、安全性好。

　　碳纤维复合材料传动轴设计包括铺层设计和连接设计，铺层设计变量有铺层角度、铺层数和铺层顺序等，连接设计要考虑连接方式的选取、连接强度的计算与校核等。

　　在直升机用复合材料传动轴的设计制造中，必须要考虑到动力学特性，动力学特性会直接对传动轴的使用寿命、工作效率和安全可靠性产生影响机械系统在运行过程中容易产生共振，共振会使机械零部件产生松动或发生疲劳破坏产生噪声，影响机械的加工精度。使用碳纤维复合材料生产的传动轴，在大幅减轻结构自重的同时，可以提高固有频率，减少噪声，降低传动系统能量损失，提高抗振性能。

本文所研究的直升机用碳纤维复合材料传动轴，长度为2m，内径为50mm，额定扭矩为215N.m，并要求转速在5000rpm时不发生共振。该碳纤维复合材料传动轴的扭矩要求相对于临界转速要求低很多，由固有频率公式可知，采用高模量碳纤维材料进行轴设计有显著优势，由前期工艺产品情况可知，采用预浸料/热压罐工艺生产的轴类零件一致性高，成型效果好。铺设碳纤维采用交叉铺层，为了提高效率，应尽可能设计少的铺设角度，在铺层时主要为0°和±45°，即[0/±45]结构，其中0°层主要增加临界转速要求，45°主要承受扭矩作用。

　　在设计传动轴时，需要使传动轴临界转速达到5000r/min。第一行为±45°铺层数目，临界转速单位为rpm。综合计算求解的强度设计结果与固有频率设计结果，选择铺层为30层，其中±45°层数为8层，设计的铺层形式为[±45/02/±45/02/±45/02/±45/02/±45/02/±45/02/±45/02/±45]，设计的铺层最大扭矩为864N.m，临界转速为6656r/min。

　　碳纤维管和金属端的连接通常是复合材料传动轴较为薄弱的环节，为了满足传动轴的性能要求，两端钢结构与中间的碳纤维圆管采用胶接的连接形式连接成一个整体。通常，一层0.05mm-0.20mm厚的胶粘层即可赋予粘接处最大的搭接剪切强度，本次设计胶接厚度为0.2mm，采用的胶为Araldite2014-1，对胶接的剪切力进行校核得到胶层长度L≥12.5mm，为了使连接中部区域保持低的剪应力，防止胶粘剂蠕变，提高胶层的耐久性，同时考虑到允许的制造缺陷，比如空隙和脱胶，以及使用环境的恶化，一般采用比L更大的长度，最终胶接长度取为25mm。

　　传动过程中，金属端与十字轴配合，其尺寸依照飞机本身的零部件设计，并不涉及螺栓连接的问题。利用对轴头的扭剪应力校核来设计金属端壁厚，计算得到壁厚需大于1.5mm，为利于加工，将金属轴头连接端壁厚设计为3mm，另一端为与十字轴配合的叉形结构。

根据理论设计的连接端部尺寸，利用ABAQUS对胶层进行内聚力有限元仿真，查看各个分析步的初始失效指数QUADSCRT与刚度退化指数SDEG，可以得到部分胶层完全初始失效的扭矩为455N.m，全部胶层完全初始失效的扭矩为1250N.m，部分胶层完全退化的扭矩为1300N.m。

　　根据有限元仿真结果可知，胶层设计合理，胶层长度L≥25mm，厚度为0.2mm。在ABAQUS有限元软件中建立碳纤维轴管有限元模型，设置材料参数并且赋予各部件，定义轴管的铺层，然后进行网格划分。金属端与轴管采用绑定连接，分析步选定为频率分析步，有限元分析前处理完成后进行自由模态仿真，得到一阶固有频率为126.11Hz。

　　最终比较MATLAB理论计算、ABAQUS仿真模态试验下传动轴的一阶临界转速，可以看出实验结果与设计理论相吻合，且与仿真结果的误差较小，说明所设计的碳纤维复合材料传动轴的临界转速可以满足直升机传动轴要求。