机械工程学报

作者：尚耀星, 姜超凡, 于天, 李瑶, 王业硕, 焦宗夏

单位：1. 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 北京 100191;2. 北京航空航天大学飞行器控制一体化技术国家级重点实验室 北京 100191;3. 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院 北京 100191;4. 北京航空航天大学宁波创新研究院 宁波 315800

关键词：液压缸,轻量化,碳纤维,纤维增强层,铺层,正向设计；

基金：国家重点研发计划资助项目(2018YFB2000702)。

液压缸在航空航天、工程机械等领域的轻量化有着很大潜力，其中碳纤维替代金属就是重点方向之一。以往碳纤维液压缸纤维增强层的设计大多基于工程经验，缺乏正向设计方法，由于碳纤维增强层的强度和刚度直接由碳纤维的总层数和每层的铺层角度综合决定的，所以为了满足液压缸耐压和密封等设计需求，提出一种碳纤维液压缸纤维增强层的正向设计方法，确定了碳纤维增强层的总层数和每层铺层角度。设计方法共分为两步，第一步利用复合材料网格理论确定增强层纤维总层数，第二步基于层合筒力学模型，利用多目标粒子群算法得到优质解集Pareto前沿，然后根据评价函数选择出最合适的角度铺层方案。给出一实例通过正向设计方法获得最佳铺层方案，利用有限元进行应力计算，根据蔡吴强度理论进行强度校核，与正向设计方法计算出的结果比对之后，证明了该正向设计方法的可行性。根据仿真数据分析了铺层角度对强度刚度影响的规律。最后以最佳铺层方案为例，说明了利用该正向设计方法设计的碳纤维增强层相比于替代掉的金属有着很好的减重效果。

来源：2025年第2期

《机械工程学报》期刊编辑部

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