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 出版日期:2025-04-20 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 Online:2025-04-20 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.

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

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