航空复合材料的组合凸轮式Z-pin预植入机研究
发布时间：2020-05-12 05:56
【摘要】：Z-pin增强技术是将Z-pin植入到未固化的层合构件中,被植入层合板的Z-pin通过机械和化学作用把铺层牢牢的结合在一起,完成植入后固化形成三维增强结构,从而简单有效的提高复合材料层合板层冲击损伤容限和结合强度等力学性能。而预植入工艺承担着控制包括植入密度、植入深度等在内的植入规格的作用,是制备Z-pin的UAZ工艺中不可或缺的一环。对国内现有的预植入机进行了分析,发现“先植入,后剪切”的植入方式,由胶辊提供的摩擦力一方面需要提供送丝的动力,另一方面还需克服Z-pin与预植入体的阻力完成植入,这不仅导致Z-pin易折断,还易出现胶辊与Z-pin之间打滑造成植入深度以及植入长度不精确等问题。为了解决上述问题,并推动Z-pin增强技术高效地在民用和国防事业的应用,本文以实现Z-pin的高效高精度自动化预植入为目标,主要完成了以下几个工作:(1)依据矩形类复合材料层合构件的预植入工艺技术标准,分析预植入机的功能需求,并提出“先剪切,后植入”式组合凸轮Z-pin预植入机的机构运动方案,完成各功能装置的设计。(2)采用解析法完成作为Z-pin预植入机核心驱动机构的组合凸轮的设计:选择适合工况的从动件运动规律,结合组合凸轮运动分配图计算凸轮机构的理论轮廓曲线,通过轮廓曲面参数来控制实现植入工艺动作的从动件运动状况;完成配套零件的设计。(3)建立组合凸轮机构的动力学模型,推导出从动件输出端的实际运动规律,求得组合凸轮的最佳转速,并以最优转速进行组合凸轮机构的刚柔耦合仿真,分析仿真结果以验证设计方案可行性。(4)分析Z-pin预植入工艺流程,结合各功能装置提出控制策略,完成Z-pin预植入机控制系统的搭建。制备原理样机并开展植入实验,发掘当前设计方案的不足之处,分析原因并提出方案进行改进。最终植入实验表明所搭建的Z-pin预植入机能够满足工艺要求,机构操作方便,长时间工作平稳,无Z-pin折断等问题出现,植入效率大幅提高,植入成功率在99%以内,植入精度(包括植入间距、植入深度、纤维长度等)在±0.01mm以内。
【图文】：
高模量的复合材料（例如碳纤维、玻璃纤维等）或者金属细长杆（例如铝合金、逡逑钛合金、不锈钢等）按０．５％？４．０％的植入体积分数植入到未固化的预浸料预制件逡逑中［９］，被植入层合板的Ｚ－ｐｉｎ邋（如图１－１邋（ｂ））通过机械（润湿性、热膨胀匹配等）逡逑以及化学（溶解与润湿结合、反应结合等）的双重作用，将层合板各个子层牢牢逡逑固结在一起，固化形成三维增强结构，从而提升了各个层合板之间结合力，达到逡逑了提高了复合材料层合板层间幵性、提升了其冲击损伤容限以及降低了分层可能逡逑性的目的。英国克兰菲尔德大学开展了邋Ｚ－ｐｉｎ对层合板增强效果的相关实验，，逡逑Ｃａｒｔｉｅ邋Ｄ邋ＤＲ［１０］等实验数据显示层合板中Ｚ－ｐｉｎ的体积分数每提升０．５％，其Ｉ型逡逑和ＩＩ型层间断裂韧性均提升为原有的两倍，Ｚｈａｎｇ邋Ｘ［ｕ］等试验数据显示植入２％逡逑体积分数的Ｚ－ｐｉｎ能有效降低层合板的冲击损伤面积至原有面积的３６％？８１％，逡逑以此为例不难看出Ｚ－ｐｉｎ增强技术是一种具有良好增强效果的层间增初增强技术。逡逑咽＿逡逑（ａ）邋Ｚ－ｐｉｎ邋—般尺寸逦（ｂ）植入层合板内的Ｚ－ｐｉｎ逡逑图邋１－１邋Ｚ－ｐｉｎ逡逑如图１－２所示，目前Ｚ－ｐｉｎ己成功代替钛合金螺栓作为紧固件应用在逡逑Ｆ／Ａ－１８Ｅ／Ｆ大黄蜂战机的进气道及发动机的舱门上
５＾邋＾邋：逡逑Ｂｍ逡逑（ｂ）美国Ａｚｔｅｘ公司六轴龙门式植入机逡逑图１－３国外Ｚ－ｐｉｎ自动植入设备逡逑目前我国对Ｚ－ｐｉｎ增强技术相关工艺设备的应用研究还处于起步阶段，国内逡逑只有少数单位在进行成型工艺开发。西北工业大学的黄涛和矫桂琼等［１９］和北京逡逑航空航天大学的郝继军［２（＾２１］、张蕾和张佐光等［２２］使用各自实验室开发的具有导逡逑向及钻孔功能装置，完成了碳纤维类Ｚ－ｐｉｎ在泡沫上的植入。两者均未实现Ｚ－ｐｉｎ逡逑植入的自动化。南京航空航天大学自动化研发中心首先对Ｚ－ｐｉｎ过渡植入机的自逡逑动化进行了研发［２３＿２４］，如图１－４所示。该套设备仅达成了半自动化［２５］，植入过程逡逑中还得耗费许多人工，植入效率仍处于较低水平，无法完全满足工程应用以及科逡逑学研究的需要。逡逑图１－４\京航空航天大学数控过渡植入机逡逑后又针对圆柱圆锥类零件（如导弹弹头、弹体材料）的ｚ－ｐｉｎ植入，开发了逡逑一套Ｚ－ｐｉｎ过渡植入平台［２６＿２７］，如图１－５所示。该Ｚ－ｐｉｎ过度植入平台仅供制备逡逑宽度为８０ｍｍ的窄长条泡lぶ踩胩澹杂谄桨謇喙辜枰捎枚嗵踉ぶ踩胩迤村义辖印Ｒ裕冢穑椋钪踩爰渚啵常恚恚常恚砦
本文编号：2659768
【图文】：
高模量的复合材料（例如碳纤维、玻璃纤维等）或者金属细长杆（例如铝合金、逡逑钛合金、不锈钢等）按０．５％？４．０％的植入体积分数植入到未固化的预浸料预制件逡逑中［９］，被植入层合板的Ｚ－ｐｉｎ邋（如图１－１邋（ｂ））通过机械（润湿性、热膨胀匹配等）逡逑以及化学（溶解与润湿结合、反应结合等）的双重作用，将层合板各个子层牢牢逡逑固结在一起，固化形成三维增强结构，从而提升了各个层合板之间结合力，达到逡逑了提高了复合材料层合板层间幵性、提升了其冲击损伤容限以及降低了分层可能逡逑性的目的。英国克兰菲尔德大学开展了邋Ｚ－ｐｉｎ对层合板增强效果的相关实验，，逡逑Ｃａｒｔｉｅ邋Ｄ邋ＤＲ［１０］等实验数据显示层合板中Ｚ－ｐｉｎ的体积分数每提升０．５％，其Ｉ型逡逑和ＩＩ型层间断裂韧性均提升为原有的两倍，Ｚｈａｎｇ邋Ｘ［ｕ］等试验数据显示植入２％逡逑体积分数的Ｚ－ｐｉｎ能有效降低层合板的冲击损伤面积至原有面积的３６％？８１％，逡逑以此为例不难看出Ｚ－ｐｉｎ增强技术是一种具有良好增强效果的层间增初增强技术。逡逑咽＿逡逑（ａ）邋Ｚ－ｐｉｎ邋—般尺寸逦（ｂ）植入层合板内的Ｚ－ｐｉｎ逡逑图邋１－１邋Ｚ－ｐｉｎ逡逑如图１－２所示，目前Ｚ－ｐｉｎ己成功代替钛合金螺栓作为紧固件应用在逡逑Ｆ／Ａ－１８Ｅ／Ｆ大黄蜂战机的进气道及发动机的舱门上
５＾邋＾邋：逡逑Ｂｍ逡逑（ｂ）美国Ａｚｔｅｘ公司六轴龙门式植入机逡逑图１－３国外Ｚ－ｐｉｎ自动植入设备逡逑目前我国对Ｚ－ｐｉｎ增强技术相关工艺设备的应用研究还处于起步阶段，国内逡逑只有少数单位在进行成型工艺开发。西北工业大学的黄涛和矫桂琼等［１９］和北京逡逑航空航天大学的郝继军［２（＾２１］、张蕾和张佐光等［２２］使用各自实验室开发的具有导逡逑向及钻孔功能装置，完成了碳纤维类Ｚ－ｐｉｎ在泡沫上的植入。两者均未实现Ｚ－ｐｉｎ逡逑植入的自动化。南京航空航天大学自动化研发中心首先对Ｚ－ｐｉｎ过渡植入机的自逡逑动化进行了研发［２３＿２４］，如图１－４所示。该套设备仅达成了半自动化［２５］，植入过程逡逑中还得耗费许多人工，植入效率仍处于较低水平，无法完全满足工程应用以及科逡逑学研究的需要。逡逑图１－４\京航空航天大学数控过渡植入机逡逑后又针对圆柱圆锥类零件（如导弹弹头、弹体材料）的ｚ－ｐｉｎ植入，开发了逡逑一套Ｚ－ｐｉｎ过渡植入平台［２６＿２７］，如图１－５所示。该Ｚ－ｐｉｎ过度植入平台仅供制备逡逑宽度为８０ｍｍ的窄长条泡lぶ踩胩澹杂谄桨謇喙辜枰捎枚嗵踉ぶ踩胩迤村义辖印Ｒ裕冢穑椋钪踩爰渚啵常恚恚常恚砦
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