碳纖維預浸帶自動鋪放軌跡規(guī)劃與鋪放適宜性研究.pdf

1、先進復合材料具有輕質(zhì)量、高強度、高模量、結構功能一體化和設計制造一體化、易于成型為大型構件等優(yōu)點，在航空航天工業(yè)中起到非常重要的作用。作為21世紀的主導材料，先進復合材料已經(jīng)廣泛應用于各種型號的民用客機、軍機，并且其用量已經(jīng)成為先進航空航天器的重要指標之一。復合材料成本過高仍是制約飛機結構大量應用復合材料的主要障礙，造成成本下不來、用量上不去的狀況。復合材料構件成本的70％以上來自于制造工藝，因此，降低復合材料構件的制造成本是復合材料發(fā)

2、展中亟待解決的關鍵問題。自動鋪帶技術是實現(xiàn)復合材料“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合材料結構的制造中應用極為廣泛。
　　目前，國內(nèi)少數(shù)幾家大型飛機制造企業(yè)已引進自動鋪帶機。由于西方國家對自動鋪帶工藝的嚴密封鎖，導致自動鋪帶工藝技術成為制約我國航空航天飛行器應用復合材料的一個瓶頸，自動鋪帶工藝技術的研究迫在眉睫。因此，本文以航空制造業(yè)對保證大型復合材料構件產(chǎn)品質(zhì)量和提高加工效率的需求為出發(fā)點，針對一步法自

3、動鋪帶工藝方法中軌跡規(guī)劃以及鋪放適宜性開展研究工作。
　　為了確定預浸帶的最優(yōu)鋪放路徑，研究了鋪放路徑對預浸帶變形的影響。通過將鋪放成型視作一個幾何映射過程，同時添加規(guī)整纖維片材映射的假設，得到了預浸帶到模具表面的映射規(guī)律。在此基礎上建立了表征預浸帶變形與鋪放路徑關系的數(shù)學模型，并進一步獲得了“最小預浸帶變形”這一約束條件下的最優(yōu)鋪放路徑。提出了一個反映預浸帶變形與褶皺形成關系的模型，并在三類非可展模具曲面上對該模型進行了研究。建

4、立了曲面自動鋪帶適宜性判據(jù)，用于指導預浸帶帶寬的選擇。該判據(jù)在保證鋪放質(zhì)量的同時也兼顧了鋪放效率，并已得到工程實踐驗證。
　　考察了鋪放過程中相鄰帶料的關系，建立了間隙的數(shù)學模型。將“測地線策略”與“平行線策略”這兩種常用的鋪放策略進行了比較，指出測地線策略的優(yōu)勢在于控制帶料變形，而平行線策略則在于控制帶料之間的間隙。提出了一種基于測地曲率的“近似測地線策略”，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、真的方法對該策略進行了研究。
　　提出了一種直接在光滑曲面上構造測地線的幾何方法。該方法利用了測地線的主法線重合于曲面的法線這一幾何學原理，特點是簡單、高效而且不需要求解復雜的測地微分方程。推導出該方法的計算誤差模型，并提出了一種步長調(diào)整策略。在B樣條曲面及其所對應的網(wǎng)格曲面上將該幾何方法與Beck的方法以及Ravi Kumar的離散方法在計算效率與計算精度方面進行了比較。結果表明，該幾何方法在平緩曲面上計算效率與計算精度均能得到

6、保證，因此其特別適用于自動鋪帶領域。
　　分析了自動鋪帶工藝過程中相鄰鋪層界面間的貼合形成機制，研究了鋪層界面間貼合過程中樹脂流體在平行板之間擠壓、流動、浸潤過程。指出在樹脂流體黏度一定的情況下，樹脂對界面浸潤效果越好，則界面貼合能力越強。利用流體力學理論推導出樹脂流體對界面浸潤效果的計算公式，并分析了鋪放壓力、鋪放速度、模具溫度等工藝參數(shù)對浸潤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。在自行研制的自動鋪

7、帶工藝參數(shù)實驗平臺上進行了一系列實驗，實驗結果驗證了所提出的樹脂流體對界面浸潤效果計算公式的正確性。
　　針對國產(chǎn)5228/T700型高溫環(huán)氧樹脂預浸帶開展了自動鋪放工藝適宜性研究。建立了碳纖維預浸帶鋪覆性的數(shù)學模型。在自動鋪帶工藝參數(shù)實驗平臺以及電子萬能試驗機進行了一系列黏性與鋪覆性實驗，得到了該型號預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。
　　本文針對自動鋪帶工藝中軌跡規(guī)劃與鋪放適宜性開展了一