熱塑性預(yù)浸絲變角度鋪放及其軌跡規(guī)劃的研究.pdf

1、自動(dòng)纖維絲鋪放技術(shù)是生產(chǎn)大型或超大型復(fù)雜表面形狀復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)之一,屬于極端制造的一種,被廣泛應(yīng)用于航空、航天飛行器制造領(lǐng)域。自動(dòng)纖維絲鋪放技術(shù)選取熱塑性預(yù)浸絲為原料,同時(shí)引入原位固化成型技術(shù)代替以往的熱壓罐固化成型技術(shù),不僅擺脫了熱壓罐尺寸對(duì)所加工構(gòu)件大小的限制,還顯著提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。因此,熱塑性預(yù)浸絲自動(dòng)纖維絲鋪放技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)雜表面形狀復(fù)合材料構(gòu)件制造的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),得到了越來越廣泛的重視。實(shí)現(xiàn)滿足要求的復(fù)

2、合材料構(gòu)件的鋪放,不僅需要相應(yīng)的預(yù)浸絲材料、加工設(shè)備,還需要對(duì)自動(dòng)纖維絲鋪放過程中涉及的熱塑性預(yù)浸絲鋪放成型工藝、軌跡規(guī)劃算法、鋪放設(shè)備后置處理算法及鋪層力學(xué)特性進(jìn)行深入的研究。
　　將熱塑性預(yù)浸絲與原位固化成型技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于自動(dòng)纖維絲鋪放過程中,可以同時(shí)完成復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)成型和最終固化成型,但也對(duì)鋪放過程中各鋪放參數(shù)的要求更加嚴(yán)格。因此,需要對(duì)鋪放成型工藝進(jìn)行研究,確定合理的鋪放參數(shù),以確保生產(chǎn)出符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的復(fù)合材料構(gòu)件。本

3、文對(duì)鋪放成型工藝中加熱工藝、冷卻工藝及鋪層間緊密接觸度進(jìn)行了研究,研究內(nèi)容包括根據(jù)熱塑性預(yù)浸絲(APC-2型)的物理性質(zhì)選擇加熱熱源及確定加熱溫度;針對(duì)鋪放過程將鋪放區(qū)域劃分為預(yù)加熱區(qū)、空氣冷卻區(qū)Ⅰ、主加熱區(qū)、空氣冷卻區(qū)Ⅱ和特殊冷卻區(qū),分別建立相應(yīng)區(qū)域的傳熱方程并確定邊界條件;運(yùn)用結(jié)晶動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)冷卻過程中結(jié)晶溫度與相對(duì)結(jié)晶率之間的關(guān)系式;將預(yù)浸絲表面粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)Ra和RSm引入鋪層緊密接觸模型,得到鋪放壓力、施壓時(shí)間、表面粗糙度與

4、緊密接觸度之間的關(guān)系。針對(duì)具體算例,給出各鋪放參數(shù)的確定方法,并通過Matlab與Ansys軟件對(duì)各鋪放參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,分析得到各鋪放參數(shù)的合理數(shù)值;最后,對(duì)鋪放參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　復(fù)合材料鋪層相鄰絲束之間的間隙或重疊不僅會(huì)影響復(fù)合材料構(gòu)件的形狀精度、增加鋪放過程的剪切和重送操作,還對(duì)鋪層整體力學(xué)特性產(chǎn)生較大的影響。因此,自動(dòng)纖維絲鋪放軌跡規(guī)劃算法研究的主要目的就是設(shè)計(jì)合理的鋪放路徑,以消除或減少相鄰絲束間的間隙或重疊現(xiàn)象。為

5、避免除零件端面外的剪切和重送操作,提出了一種變角度軌跡規(guī)劃算法。通過錐殼、非可展回轉(zhuǎn)外殼和非可展變截面接頭三種典型零件,對(duì)上述變角度軌跡規(guī)劃算法進(jìn)行了驗(yàn)證,并對(duì)上述零件變角度軌跡規(guī)劃算法具體實(shí)現(xiàn)步驟及算法的可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行了分析。
　　自動(dòng)纖維絲鋪放設(shè)備后置處理技術(shù)是將軌跡規(guī)劃算法得到的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)及方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成鋪放設(shè)備各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。自動(dòng)纖維絲鋪放設(shè)備由手臂部分和主軸部分組成,在對(duì)手臂部分后置處理算法進(jìn)行研究時(shí),將以往

6、研究中壓輥與鋪放頭固結(jié)的情況轉(zhuǎn)變?yōu)閴狠伬@其中心轉(zhuǎn)動(dòng)的情況建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,較之前的模型更符合實(shí)際鋪放情況,更為精確。這種建模方式導(dǎo)致手臂部分冗余自由度的引入,在進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解時(shí),以鋪放頭懸臂最短為優(yōu)化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了冗余系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解。對(duì)主軸部分后置處理算法進(jìn)行了恒轉(zhuǎn)角和變轉(zhuǎn)角兩種方法的研究,給出了這兩種方法的實(shí)現(xiàn)方式及優(yōu)缺點(diǎn)。此外,還對(duì)錐殼零件變角度軌跡規(guī)劃算法及后置處理算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　變角度鋪放成型的復(fù)合材料鋪層與傳

7、統(tǒng)定角度鋪放成型的鋪層相比,具有設(shè)計(jì)靈活和可充分發(fā)揮復(fù)合材料各向異性特性的優(yōu)點(diǎn)。通過改變鋪放路徑上每一位置的鋪放角,可以改變鋪層內(nèi)應(yīng)力分布形式,同時(shí)還可以改變整體鋪層的固有頻率以避免系統(tǒng)發(fā)生共振。以錐殼零件變角度鋪放算法成型的八組不同初始鋪放角的鋪層為研究對(duì)象,分別對(duì)各組鋪層進(jìn)行了靜力學(xué)、模態(tài)和屈曲分析研究。研究內(nèi)容包括復(fù)合材料變角度鋪層有限元模型的建立方法、變角度鋪層應(yīng)力應(yīng)變、模態(tài)、屈曲強(qiáng)度隨初始鋪放角的變化規(guī)律;研究基于各向異性材料