熱塑性預浸絲變角度鋪放及其軌跡規(guī)劃的研究.pdf

1、自動纖維絲鋪放技術是生產大型或超大型復雜表面形狀復合材料構件的制造技術之一,屬于極端制造的一種,被廣泛應用于航空、航天飛行器制造領域。自動纖維絲鋪放技術選取熱塑性預浸絲為原料,同時引入原位固化成型技術代替以往的熱壓罐固化成型技術,不僅擺脫了熱壓罐尺寸對所加工構件大小的限制,還顯著提高了生產效率、降低了生產成本。因此,熱塑性預浸絲自動纖維絲鋪放技術已經成為復雜表面形狀復合材料構件制造的一項關鍵技術,得到了越來越廣泛的重視。實現(xiàn)滿足要求的復

2、合材料構件的鋪放,不僅需要相應的預浸絲材料、加工設備,還需要對自動纖維絲鋪放過程中涉及的熱塑性預浸絲鋪放成型工藝、軌跡規(guī)劃算法、鋪放設備后置處理算法及鋪層力學特性進行深入的研究。
　　將熱塑性預浸絲與原位固化成型技術相結合應用于自動纖維絲鋪放過程中,可以同時完成復合材料構件預成型和最終固化成型,但也對鋪放過程中各鋪放參數(shù)的要求更加嚴格。因此,需要對鋪放成型工藝進行研究,確定合理的鋪放參數(shù),以確保生產出符合設計指標的復合材料構件。本

3、文對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行了研究,研究內容包括根據(jù)熱塑性預浸絲(APC-2型)的物理性質選擇加熱熱源及確定加熱溫度;針對鋪放過程將鋪放區(qū)域劃分為預加熱區(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),分別建立相應區(qū)域的傳熱方程并確定邊界條件;運用結晶動力學理論推導冷卻過程中結晶溫度與相對結晶率之間的關系式;將預浸絲表面粗糙度評價指標Ra和RSm引入鋪層緊密接觸模型,得到鋪放壓力、施壓時間、表面粗糙度與

4、緊密接觸度之間的關系。針對具體算例,給出各鋪放參數(shù)的確定方法,并通過Matlab與Ansys軟件對各鋪放參數(shù)進行計算,分析得到各鋪放參數(shù)的合理數(shù)值;最后,對鋪放參數(shù)進行了實驗驗證。
　　復合材料鋪層相鄰絲束之間的間隙或重疊不僅會影響復合材料構件的形狀精度、增加鋪放過程的剪切和重送操作,還對鋪層整體力學特性產生較大的影響。因此,自動纖維絲鋪放軌跡規(guī)劃算法研究的主要目的就是設計合理的鋪放路徑,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、非可展回轉外殼和非可展變截面接頭三種典型零件,對上述變角度軌跡規(guī)劃算法進行了驗證,并對上述零件變角度軌跡規(guī)劃算法具體實現(xiàn)步驟及算法的可實現(xiàn)性進行了分析。
　　自動纖維絲鋪放設備后置處理技術是將軌跡規(guī)劃算法得到的軌跡點坐標及方向數(shù)據(jù)轉化成鋪放設備各個運動軸可以識別的數(shù)據(jù)格式。自動纖維絲鋪放設備由手臂部分和主軸部分組成,在對手臂部分后置處理算法進行研究時,將以往

6、研究中壓輥與鋪放頭固結的情況轉變?yōu)閴狠伬@其中心轉動的情況建立運動學模型,較之前的模型更符合實際鋪放情況,更為精確。這種建模方式導致手臂部分冗余自由度的引入,在進行逆運動學求解時,以鋪放頭懸臂最短為優(yōu)化目標,實現(xiàn)了冗余系統(tǒng)逆運動學的求解。對主軸部分后置處理算法進行了恒轉角和變轉角兩種方法的研究,給出了這兩種方法的實現(xiàn)方式及優(yōu)缺點。此外,還對錐殼零件變角度軌跡規(guī)劃算法及后置處理算法進行了實驗驗證。
　　變角度鋪放成型的復合材料鋪層與傳

7、統(tǒng)定角度鋪放成型的鋪層相比,具有設計靈活和可充分發(fā)揮復合材料各向異性特性的優(yōu)點。通過改變鋪放路徑上每一位置的鋪放角,可以改變鋪層內應力分布形式,同時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象,分別對各組鋪層進行了靜力學、模態(tài)和屈曲分析研究。研究內容包括復合材料變角度鋪層有限元模型的建立方法、變角度鋪層應力應變、模態(tài)、屈曲強度隨初始鋪放角的變化規(guī)律;研究基于各向異性材料