碳纖維預(yù)浸帶自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃與鋪放適宜性研究.pdf

1、先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于成型為大型構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工業(yè)中起到非常重要的作用。作為21世紀(jì)的主導(dǎo)材料，先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)的民用客機(jī)、軍機(jī)，并且其用量已經(jīng)成為先進(jìn)航空航天器的重要指標(biāo)之一。復(fù)合材料成本過(guò)高仍是制約飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的主要障礙，造成成本下不來(lái)、用量上不去的狀況。復(fù)合材料構(gòu)件成本的70％以上來(lái)自于制造工藝，因此，降低復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本是復(fù)合材料發(fā)

2、展中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。自動(dòng)鋪帶技術(shù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料“低成本、高性能、高效率”制造的重要途徑，在航空航天高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造中應(yīng)用極為廣泛。
　　目前，國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家大型飛機(jī)制造企業(yè)已引進(jìn)自動(dòng)鋪帶機(jī)。由于西方國(guó)家對(duì)自動(dòng)鋪帶工藝的嚴(yán)密封鎖，導(dǎo)致自動(dòng)鋪帶工藝技術(shù)成為制約我國(guó)航空航天飛行器應(yīng)用復(fù)合材料的一個(gè)瓶頸，自動(dòng)鋪帶工藝技術(shù)的研究迫在眉睫。因此，本文以航空制造業(yè)對(duì)保證大型復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量和提高加工效率的需求為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)一步法自

3、動(dòng)鋪帶工藝方法中軌跡規(guī)劃以及鋪放適宜性開(kāi)展研究工作。
　　為了確定預(yù)浸帶的最優(yōu)鋪放路徑，研究了鋪放路徑對(duì)預(yù)浸帶變形的影響。通過(guò)將鋪放成型視作一個(gè)幾何映射過(guò)程，同時(shí)添加規(guī)整纖維片材映射的假設(shè)，得到了預(yù)浸帶到模具表面的映射規(guī)律。在此基礎(chǔ)上建立了表征預(yù)浸帶變形與鋪放路徑關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步獲得了“最小預(yù)浸帶變形”這一約束條件下的最優(yōu)鋪放路徑。提出了一個(gè)反映預(yù)浸帶變形與褶皺形成關(guān)系的模型，并在三類非可展模具曲面上對(duì)該模型進(jìn)行了研究。建

4、立了曲面自動(dòng)鋪帶適宜性判據(jù)，用于指導(dǎo)預(yù)浸帶帶寬的選擇。該判據(jù)在保證鋪放質(zhì)量的同時(shí)也兼顧了鋪放效率，并已得到工程實(shí)踐驗(yàn)證。
　　考察了鋪放過(guò)程中相鄰帶料的關(guān)系，建立了間隙的數(shù)學(xué)模型。將“測(cè)地線策略”與“平行線策略”這兩種常用的鋪放策略進(jìn)行了比較，指出測(cè)地線策略的優(yōu)勢(shì)在于控制帶料變形，而平行線策略則在于控制帶料之間的間隙。提出了一種基于測(cè)地曲率的“近似測(cè)地線策略”，克服了原有策略難以控制相鄰帶料之間間隙的難題，并采用MATLAB數(shù)值仿

5、真的方法對(duì)該策略進(jìn)行了研究。
　　提出了一種直接在光滑曲面上構(gòu)造測(cè)地線的幾何方法。該方法利用了測(cè)地線的主法線重合于曲面的法線這一幾何學(xué)原理，特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、高效而且不需要求解復(fù)雜的測(cè)地微分方程。推導(dǎo)出該方法的計(jì)算誤差模型，并提出了一種步長(zhǎng)調(diào)整策略。在B樣條曲面及其所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格曲面上將該幾何方法與Beck的方法以及Ravi Kumar的離散方法在計(jì)算效率與計(jì)算精度方面進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，該幾何方法在平緩曲面上計(jì)算效率與計(jì)算精度均能得到

6、保證，因此其特別適用于自動(dòng)鋪帶領(lǐng)域。
　　分析了自動(dòng)鋪帶工藝過(guò)程中相鄰鋪層界面間的貼合形成機(jī)制，研究了鋪層界面間貼合過(guò)程中樹(shù)脂流體在平行板之間擠壓、流動(dòng)、浸潤(rùn)過(guò)程。指出在樹(shù)脂流體黏度一定的情況下，樹(shù)脂對(duì)界面浸潤(rùn)效果越好，則界面貼合能力越強(qiáng)。利用流體力學(xué)理論推導(dǎo)出樹(shù)脂流體對(duì)界面浸潤(rùn)效果的計(jì)算公式，并分析了鋪放壓力、鋪放速度、模具溫度等工藝參數(shù)對(duì)浸潤(rùn)效果以及貼合能力的影響，提出以平均剝離力作為量化鋪層貼合能力的指標(biāo)。在自行研制的自動(dòng)鋪

7、帶工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的樹(shù)脂流體對(duì)界面浸潤(rùn)效果計(jì)算公式的正確性。
　　針對(duì)國(guó)產(chǎn)5228/T700型高溫環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸帶開(kāi)展了自動(dòng)鋪放工藝適宜性研究。建立了碳纖維預(yù)浸帶鋪覆性的數(shù)學(xué)模型。在自動(dòng)鋪帶工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了一系列黏性與鋪覆性實(shí)驗(yàn)，得到了該型號(hào)預(yù)浸帶鋪放適宜性隨鋪放壓力、鋪放速度、加熱溫度等工藝參數(shù)變化的規(guī)律。
　　本文針對(duì)自動(dòng)鋪帶工藝中軌跡規(guī)劃與鋪放適宜性開(kāi)展了一