碳纤维复合材料液压缸的活塞杆力学分析与设计

doi:10.3901/JME.2025.04.314

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (4): 314-322.doi: 10.3901/JME.2025.04.314

• 交叉与前沿 • 上一篇

扫码分享

碳纤维复合材料液压缸的活塞杆力学分析与设计

尚耀星^1,2,3, 王业硕^1,2, 于天^1,2,4, 李瑶^1,2, 焦宗夏^1,2,3

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一体化控制全国重点实验室北京 100191;
3. 北京航空航天大学先进机载系统工业和信息化部重点实验室北京 100191;
4. 北京航空航天大学宁波创新研究院宁波 315800

收稿日期:2024-02-04 修回日期:2024-08-25 发布日期:2025-04-14
作者简介:尚耀星，男，1983年出生，博士，研究员，博士研究生导师。主要研究方向为液压元件轻量化、飞控-液压-刹车-起落架作动与控制、液压传动与电液伺服控制、航空航天机载机电系统。E-mail：syx@buaa.edu.cn
王业硕，男，1996年出生。主要研究方向为先进制造、轻量化液压元件与系统。E-mail：wys@buaa.edu.cn
于天(通信作者)，男，1989年出生，博士，助理研究员，硕士研究生导师。主要研究方向为轻量化液压元件与系统、电静液作动器。E-mail：tianyu92565@buaa.edu.cn
李瑶，男，1993年出生，博士研究生。主要研究方向为先进制造、轻量化液压元件与系统。E-mail：liyao-jason@buaa.edu.cn
焦宗夏，男，1963年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为轻量化液压元件与系统、复杂机电装备设计与控制、飞控作动系统与余度舵机、流体传输管路振动机理与主动控制技术、机电系统的智能化设计仿真。E-mail：zxjiao@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52105047)、国家重点研发计划(2018YFB2000702)和中国航天科技集团公司第八研究院产学研合作基金(SAST2023-057)资助项目。

Mechanical Analysis and Design of Piston Rod of Carbon Fiber Composite Hydraulic Cylinder

SHANG Yaoxing^1,2,3, WANG Yeshuo^1,2, YU Tian^1,2,4, LI Yao^1,2, JIAO Zongxia^1,2,3

1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191;
2. The Science and Technology on Aircraft Control Laboratory, Beihang University, Beijing 100191;
3. Key Laboratory of Advanced Aircraft Utility Systems, Ministry of Industry and Information Technology, Beihang University, Beijing 100191;
4. Ningbo Institute of Technology, Beihang University, Ningbo 315800

Received:2024-02-04 Revised:2024-08-25 Published:2025-04-14

摘要/Abstract

摘要： 碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composites, CFRP)凭借其优异性能在液压元件与系统轻量化方面受到广泛关注。目前，CFRP在液压缸上的应用主要集中于缸筒，而在活塞杆中的应用研究较少。针对大推拉力的细活塞杆的轻量化，从复合材料杆的力学简化模型出发，研究复合材料的厚度、角度参数的影响，指导复合材料杆的铺层设计。对于CFRP活塞杆的金属-非金属连接结构，设计CFRP与金属接头的凸台嵌合结构，并对结构参数进行优化。形成基于有限元的异质材料活塞杆分析方法，设计试制轻量化活塞杆样件，并组装成液压缸样机进行测试，试验结果表明活塞杆满足设计要求，比同尺寸钢制活塞杆减重64.77%，验证了CFRP在液压缸制造中的可行性和轻量化潜力。

关键词: 液压缸, 活塞杆, 轻量化, 碳纤维增强复合材料

Abstract: Carbon fiber reinforced composites(CFRP) have received much attention in the lightweighting of hydraulic components and systems due to their excellent performance. At present, the application of CFRP in hydraulic cylinders is mainly focused on cylinder barrels, while the application in piston rods is less studied. Aiming at the lightweighting of fine piston rods with large push-pull force, the effect of thickness and angle parameters of composite materials is studied from the simplified model of the mechanics of composite rods to guide the design of composite rod layups. For the metal-nonmetal connection structure of the CFRP piston rod, the CFRP and metal joint structure is designed and the parameters of the chimeric structure are optimized. A finite element-based analysis method for piston rods with heterogeneous materials is developed. The lightweight piston rod prototype is designed and manufactured, and assembled into a hydraulic cylinder prototype for experimental testing. The experimental results show that the piston rod meets the design requirements and reduces the weight by 64.77% compared with the same size steel piston rod, which verifies the feasibility and lightweighting potential of CFRP in the manufacture of hydraulic cylinders.

Key words: hydraulic cylinder, piston rod, lightweighting, CFRP

中图分类号:

TH137

尚耀星, 王业硕, 于天, 李瑶, 焦宗夏. 碳纤维复合材料液压缸的活塞杆力学分析与设计[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 314-322.

SHANG Yaoxing, WANG Yeshuo, YU Tian, LI Yao, JIAO Zongxia. Mechanical Analysis and Design of Piston Rod of Carbon Fiber Composite Hydraulic Cylinder[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(4): 314-322.

参考文献

[1] 孔祥东，朱琦歆，姚静，等. 高端移动装备液压元件与系统轻量化发展综述[J]. 燕山大学学报，2020，44(3):203-217. KONG Xiangdong，ZHU Qixin，YAO Jing，et al. Reviews of lightweight development of hydraulic components and systems for high-level mobile equipment[J]. Journal of Yanshan University，2020，44(3):203-217.
[2] 王耀先. 复合材料力学与结构设计[M]. 上海:华东理工大学出版社，2012. WANG Yaoxian. Composite mechanics and structural design[M]. Shanghai:East China University of Science and Technology Press，2012.
[3] 张海平. 2015汉诺威工业博览会见闻[J]. 液压气动与密封，2015，35(9):1-3. ZHANG Haiping. Report about hannover messe 2015[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals，2015，35(9):1-3.
[4] Hashimoto H，Tamura M，Ichiryu K. Newly developed carbon fiber reinforced plastics (CFRP) hydraulic cylinder incorporated stroke sensor[C]//Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. The Japan Fluid Power System Society，1989(1):525-531.
[5] Solazzi L. Design and experimental tests on hydraulic actuator made of composite material[J]. Composite Structures，2020，232:111544.
[6] Zhang J，Bao J，Zhang D，et al. Inlaid connection of carbon fibre reinforced plastic cylinder[C]//IEEE International Conference on Aircraft Utility Systems. New York:IEEE，2016.
[7] 孟玲宇，陈家正，纪丹阳. 碳纤维复合材料在液压油缸中的应用[J]. 纤维复合材料，2018，35(2):60-62. MENG Lingyu，CHEN Jiazheng，JI Danyang. Application of carbon fiber composites in hydraulic cylinder[J]. Fiber Composites，2018，35(2):60-62.
[8] 左美燕. 轻量化臂架液压缸设计[J]. 液压气动与密封，2019，39(10):75-77. ZUO Meiyan. Design of lightweight boom hydraulic cylinder[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals，2019，39(10):75-77.
[9] 尚耀星，李瑶，于天，等. 轻量化复合材料液压缸现状及挑战[J]. 机械工程学报，2021，57(24):13-38. SHANG Yaoxing，LI Yao，YU Tian，et al. Review and challenges of lightweight composite hydraulic cylinder[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(24):13-38.
[10] 钱林方. 身管复合材料应用研究[D]. 南京:南京理工大学，1999. QIAN Linfang. Body tube composite application research[D]. Nanjing:Nanjing University of Scince & Technology，1999.
[11] Karasudhi P. Foundations of solid mechanics[M]. Netherlands:Springer，1991.
[12] 徐芝纶. 弹性力学简明教程[M]. 北京:高等教育出版社，2013. XU Zhilun. A concise course in elasticity[M]. Beijing:Higher Education Press，2013.
[13] 元世海，李彦虎，祖磊，等. 纤维缠绕车载CNG气瓶的结构设计及其有限元分析[J].玻璃钢/复合材料，2015(12):12-17. YUAN Shihai，LI Yanhu，ZU Lei，et al. Structure design and finite element analysis of filament winding vehicle CNG cylinder[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites，2015(12):12-17.
[14] 朱兆一，李晓文，李妍，等. 基于内聚力模型的CFRP层合板胶接结构力学行为研究[J].玻璃钢/复合材料，2019(8):5-10. ZHU Zhaoyi，LI Xiaowen，LI Yan，et al. Mechanical behavior of adhesive bonded CFRP laminates based on cohesive zone model[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites，2019(8):5-10.

[1]	高壮, 刘雨欣, 朱明亮, 轩福贞. 点阵结构设计制造与疲劳性能研究进展[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 347-375.
[2]	尚耀星, 姜超凡, 于天, 李瑶, 王业硕, 焦宗夏. 碳纤维液压缸纤维增强层正向设计方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 338-345.
[3]	李坤, 吉辰, 白生文, 蒋斌, 潘复生. 高性能镁合金电弧增材制造技术研究现状与展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 289-311.
[4]	张越, 卢岩, 彭锐涛, 朱琳伟, 雷贝, 蒋家传. 轻量化材料新型连接工艺与应用现状[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 259-283.
[5]	纵怀志, 艾吉昆, 张军辉, 江磊, 谭树杰, 刘余贤, 苏琦, 徐兵. 基于拓扑优化和晶格填充的四足机器人肢腿单元轻量化设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 420-429.
[6]	李潇, 史创, 闫凤霄, 郭宏伟, 李冰岩, 王浩威, 刘荣强. 空间轻质高刚度展开臂结构设计及动力学分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 43-52.
[7]	陈建超, 孙志广, 刘博玮, 丁明超, 王加春, 郭保苏. 基于拓扑优化的无竖杆体面心立方点阵结构设计与试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 270-277.
[8]	王文林, 张子波, 李英子, 吴永明, 王起新, 梁若霜. 液压缸可靠性试验与数据分析研究平台[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 385-393.
[9]	姜琳琳, 于天, 李瑶, 焦宗夏, 尚耀星. 复合材料伺服液压缸精准摩擦特性测试方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(16): 338-347.
[10]	时光辉, 武文华, 陶然, 罗俊荣, 林晔, 李强, 林晓虎, 孙齐东. 增材制造技术在飞行器结构上的应用需求分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 74-84.
[11]	李峥琪, 刘长钊, 宋健, 王磊. 提高年循环效率的永磁同步发电机-齿轮传动系统机电协同设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 296-308.
[12]	张新彤, 张成明, 李立毅, 傅鹏睿. 电推进用高效轻质永磁同步电机的设计方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(8): 181-195.
[13]	张磊, 许帅康, 陈洁, 李鹏飞, 于世杰, 王超. 列车车体轻量化设计研究进展[J]. 机械工程学报, 2023, 59(24): 177-196.
[14]	李春明, 鲍珂. 基于载荷传递路径的履带车辆多层级耦合动力学建模与分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(13): 157-174.
[15]	马峰, 黄顺虎, 刘培基, 张华. 面向功率和制孔质量的CFRP钻削工艺参数多目标优化方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(11): 290-299.

碳纤维复合材料液压缸的活塞杆力学分析与设计

Mechanical Analysis and Design of Piston Rod of Carbon Fiber Composite Hydraulic Cylinder

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价