碳纤维液压缸热-力耦合模型与分析

doi:10.3901/JME.2025.08.308

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (8): 308-318.doi: 10.3901/JME.2025.08.308

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碳纤维液压缸热-力耦合模型与分析

于天^1,2, 刘志成^1,2, 李瑶^1,2, 万晓飞^3,4, 焦宗夏^1,2,3, 尚耀星^1,2,4

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防科技重点实验室北京 100191;
3. 北京航空航天大学宁波创新研究院宁波 315800;
4. 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京 100191

收稿日期:2024-05-13 修回日期:2024-10-25 发布日期:2025-05-10
作者简介:于天，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;尚耀星(通信作者)，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
基金资助:
国家自然科学基金青年基金(52105047)和国家重点研发计划 (2018YFB2000700)资助项目。

Analysis of Carbon Fiber Hydraulic Cylinder under Combined Internal Pressure and Thermomechanical Load

YU Tian^1,2, LIU Zhicheng^1,2, LI Yao^1,2, WAN Xiaofei^3,4, JIAO Zongxia^1,2,3, SHANG Yaoxing^1,2,4

1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191;
2. Science and Technology on Aircraft Control Laboratory, Beihang University, Beijing 100191;
3. Ningbo Institute of Technology, Beihang University, Ningbo 315800;
4. Research Institute for Frontier Science, Beihang University, Beijing 100191

Received:2024-05-13 Revised:2024-10-25 Published:2025-05-10

摘要/Abstract

摘要： 碳纤维液压缸可有效减轻液压系统重量，是移动装备液压驱动系统节能减排的新手段。碳纤维复合材料的应力特性与热膨胀系数存在极强的各向异性，使得相邻不同角度复合材料铺层之间会产生较大的应力、应变差异。因此碳纤维液压缸的热-力耦合分析相比起传统金属油缸尤为重要，但相关研究缺乏不同油液温度下碳纤维液压缸的力学性能分析。建立层合筒径向温度分布模型与热-力耦合模型，解算额定内压、不同温度梯度下的碳纤维层合筒应力分布与缸体内径变形，并进一步通过失效准则对碳纤维液压缸的安全性能进行分析。建模与分析对象为课题组提出的某型碳纤维液压缸的纤维增强层。研究发现热负载会在碳纤维横截面方向产生压应力，抵消由内压在此方向上产生的拉应力，提高纤维增强层的安全系数；缸体内径变形量减小，满足密封要求。碳纤维液压缸热-力耦合分析可有效指导碳纤维液压缸筒设计。

关键词: 液压缸, 碳纤维, 热-力耦合, 各向异性, 温度分布, 热应力

Abstract: Carbon fiber reinforced plastic(CFRP) hydraulic cylinders are used to replace metal cylinders in hydraulic system to reduce energy consumption and improve loading capacity in mobile equipment. The composites have anisotropy of the stress characteristics and the coefficient of thermal expansion, which causes the difference of stress and strain between adjacent different layers. A temperature distribution model and a thermal-mechanical model have been established. The stress and strain in the CFRP hydraulic cylinders under combined internal pressure and thermomechanical load are obtained using the model. The Tsai-Hill and Tsai-Wu failure criterion are used to evaluated the safety of the CFRP cylinder. The stress and strain of a CFRP hydraulic cylinder, have been analyzed using the temperature distribution model and the thermal-mechanical model. The result shows the safety factor is improved by the thermal stress in the cross section. And the inner diameter deformation of the hydraulic cylinder is reduced by the thermal load, and the deformation is within the sealing requirements. The thermal-mechanical analysis of the CFRP hydraulic cylinder can be used to guide the design of the CFRP hydraulic cylinder.

Key words: hydraulic cylinder, carbon fiber, thermal-mechanical coupling, anisotropy, temperature distribution, thermal stress

中图分类号:

TB332

于天, 刘志成, 李瑶, 万晓飞, 焦宗夏, 尚耀星. 碳纤维液压缸热-力耦合模型与分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 308-318.

YU Tian, LIU Zhicheng, LI Yao, WAN Xiaofei, JIAO Zongxia, SHANG Yaoxing. Analysis of Carbon Fiber Hydraulic Cylinder under Combined Internal Pressure and Thermomechanical Load[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(8): 308-318.

参考文献

[1] 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.
[2] 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.
[3] 高凌云. 日本用碳纤维制造液压缸[J]. 液压工业，1988(1)：51. GAO Lingyun. Hydraulic cylinder made of carbon fiber in Japan[J]. Hydraulic Industry，1988(1)：51.
[4] HASHIMOTO H，TAMURA M，ICHIRYU K. Newly developed carbon fiber reinforced plastics(CFRP) hydraulic cylinder incorporated stroke sensor[J]. Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power，1989，1989(1)：525-531.
[5] 张婷婷. 汉臣液压新品介绍—据汉臣(上海)液压设备有限公司专家习青锋报告整理[J]. 液压气动与密封，2018，38(8)：94-98. ZHANG Tingting. Foreign hydraulic R & Dtrends-According to the expert report of Zhang Haiping，special consultant of expert committee of China hydraulicand pneumatic seal industry association[J]. Hydraulics Pneumatics ＆ Seals，2018，38(8)：94-98.
[6] Polygon PolySlide® composite pneumatic and hydraulic Cylinders[EB/OL]. [2022-12-06]. https://www.polygon composites.com/products/fluid-power.html.
[7] PARKER. Lightraulics actuators：High pressure hydraulics for lightweight applications[EB/OL]. [2022- 12-06]. https：//www.parker.com/literature/ Composite_ Cylinders_1410-UK.
[8] GUZ I A，MENSHYKOVA M，PAIK J K. Thick-walled composite tubes for offshore applications：An example of stress and failure analysis for filament-wound multi-layered pipes[J]. Ships and Offshore Structures，2017，12(3)：304-322.
[9] HULL D，LEGG M J，SPENCER B. Failure of glass/polyester filament wound pipe[J]. Composites，1978，9(1)：17-24.
[10] SPENCER B，HULL D. Effect of winding angle on the failure of filament wound pipe[J]. Composites，1978，9(4)：263-271.
[11] LI Yao，SHANG Yaoxing，WAN Xiaofei，et al. Design and experiment on light weight hydraulic cylinder made of carbon fiber reinforced polymer[J]. Composite Structures，2022，291：115564.
[12] XIA M，KEMMOCHI K，TAKAYANAGI H. Analysis of filament-wound fiber-reinforced sandwich pipe under combined internal pressure and thermomechanical loading[J]. Composite Structures，2001，51(3)：273-283.
[13] ANSARI R，ALISAFAEI F，GHAEDI P. Dynamic analysis of multi-layered filament-wound composite pipes subjected to cyclic internal pressure and cyclic temperature[J]. Composite Structures，2010，92(5)：1100-1109.
[14] CALHOGLU H，ERGUN E，DEMIRDAG O. Stress analysis of filament-Wound composite cylinders under combined internal pressure and thermal loading[J]. Advanced Composites Letters，2008，17(1)：13-21.
[15] 冯青，李敏，顾轶卓，等. 不同湿热条件下碳纤维/环氧复合材料湿热性能实验研究[J]. 复合材料学报，2010，27(6)：16-20. FENG Qing，LI Min，GU Yizhuo，et al. Experimental research on hygrothermal properties of carbon fiber/ epoxy resin composite under different hygrothermal conditions[J]. Acta Materiae Compositae Sinica，2010，27(6)：16-20.
[16] BAKAIYAN H，HOSSEINI H，AMERI E. Analysis of multi-layered filament-wound composite pipes under combined internal pressure and thermomechanical loading with thermal variations[J]. Composite Structures，2009，88(4)：532-541.
[17] YARIMPABUÇ D. Nonlinear thermal stress analysis of functionally graded thick cylinders and spheres[J]. Iranian Journal of Science and Technology，Transactions of Mechanical Engineering，2021，45(3)：655-663.
[18] ROBERTS D. The application of an induction motor thermal model to motor protection and other functions[D]. Liverpool：University of Liverpool，1989.
[19] MELLOR P H，ROBERTS D，TURNER D R. Lumped parameter thermal-model for electrical machines of tefc design[J]. IEE Proceedings-B Electric Power Applications，1991，138(5)：205-218.
[20] SOLAZZI L，BUFFOLI A. Fatigue design of hydraulic cylinder made of composite material[J]. Composite Structures，2021，277：114647.
[21] SOLAZZI L. Design and experimental tests on hydraulic actuator made of composite material[J]. Composite Structures，2020，232：111544.
[22] HERAKOVICH C T. Mechanics of fibrous composites[M]. New York：Wiley，1998.
[23] SHI Yuan，LI Shuguang，SITNIKOVA E，et al. Experimental evaluation and theoretical prediction of elastic properties and failure of C/C-SiC composite[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology，2022，19(1)：7-21.
[24] LI Shuguang，SITNIKOVA E. A critical review on the rationality of popular failure criteria for composites[J]. Composites Communications，2018(8)：7-13.
[25] LI Shuguang. Failure criteria for composite materials—Back to basics[M]. Berlin：ResearchGate，2020.
[26] 应用Tsai-Wu准则以确定复合正交各向异性壳体的安全系数[EB/OL]. [2022-06-24]. https://help.solidworks. com/2013/chinese-simplified/SolidWorks/cworks/r_TsaiWu_Failure_Criterion.htm.
[27] 黄河，毛阳，孙永宾，等. YH-15航空液压油的黏温特性测试与分析[J]. 兵工自动化，2015，34(5)：42-43. HUANG He，MANG Yang，SUN Yongbin，et al. Test and analysis of YH-15 aviation hydraulic oilviscosity- temperature characteristics[J]. Ordnance Industry Automation，2015，34(5)：42-43.
[28] DABABNEH O，KIPOUROS T，WHIDBORNE J. Application of an efficient gradient-based optimization strategy for aircraft wing structures[J]. Aerospace，2018(5)：3.

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Analysis of Carbon Fiber Hydraulic Cylinder under Combined Internal Pressure and Thermomechanical Load

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[1]	李伟, 黄紫藤, 李松松, 于辉, 罗许. 基于各向异性的薄带冷轧变形区接触压力模型研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 127-137.
[2]	程军, 朱煜龙, 汪步云, 梁艺, 许德章, 刘蒙蒙, 刘有余. 基于改进迁移学习的CFRP缺陷涡流检测与识别[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 53-65.
[3]	陈鑫, 龚颖颖, 杨立飞. 考虑各向异性和剪切行为的GTN损伤模型及其在成形极限预测中的应用[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 141-150.
[4]	黄鹏, 张金程, 丁华锋, 陈子明, 赵玉倩. 一种新型装载机工作装置的运动学与动力学分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 178-190.
[5]	林艳丽, 王家明, 刘军鹏, 苏一博, 王硕, 何祝斌. 金属薄板杯形件拉深制耳定量预测理论模型[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 96-106.
[6]	陈宝林, 卢竹青, 周计明, 鞠录岩, 齐乐华. C_f/Mg复合材料异形薄板件真空吸渗挤压成形及其刚度研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 107-115.
[7]	盈亮, 陈智刚, 戴明华, 王大恩, 胡平, 韩小强. 热塑性PA6碳纤维/铝基纤维金属层板温热胀形性能及失效行为研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 116-126.
[8]	张坤, 白雪山, 孙进, 胡馨予, 林艳丽, 何祝斌. 各向异性屈服准则对铝合金挤压管液压成形仿真精度的影响[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 167-175.
[9]	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.
[10]	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.
[11]	王帅帅, 段振景, 刘吉宇, 李育恒, 王梓恒, 周瑜阳, 刘新, 宋金龙, 孙晶. 冷等离子体耦合微量润滑微铣削CFRP加工性能与机理研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 338-350.
[12]	魏荣, 徐默然, 李常平, 李树健, 李鹏南. 电火花辅助铣削钛合金多能场建模及调控优化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 393-409.
[13]	李少川, 肖贵坚, 曹华军, 汪迎新, 赵泽勇, 卓晓琴, 黄云. 基于相位调控的二维超声辅助砂带磨削方法及其对GH4169表面完整性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 349-364.
[14]	余海燕, 贺宏伟, 邢萍. 考虑不同刚度退化模式的碳纤维增强复合材料失效模型开发[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 197-208.
[15]	张玄, 刘源, 侯耀东, 张承双, 尹维龙, 邓清扬. 考虑几何非线性的正交各向异性层合板随机振动响应数值解[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 224-233.