碳纤维预浸带铺放成型工艺过程及制品性能控制

发布时间：2020-10-26 15:36

　　 复合材料作为一种先进的工程材料,以其比强度和比刚度高,抗疲劳性能、耐腐蚀及性能可设计等诸多优点,被广泛应用于航空航天、船舶舰艇、汽车风电、能源化工等领域的主体结构和主承力结构。由于预浸带铺放时材料改性与制品结构成型是同时进行的,因此最终预浸带铺放制品的性能对铺放工艺过程十分敏感,成型工艺影响着预浸带铺放制品的质量。由于预浸带铺放工艺自身的复杂性,在铺放过程中工艺不合理或参数匹配不当,将会导致制品产生制备缺陷和尺寸、形状偏差,从而影响最终制品的使用寿命和服役性能。由于预浸带铺放成型工艺技术可大大提高生产效率,并且可通过精确的成型工艺控制能极大地提高铺放制品质量,是近年来发展最快、最有效的低成本复合材料制造的关键技术。迄今为止,国内外对预浸带铺放技术以及制品性能进行了大量的研究,但也存在着一些问题,主要表现为:(1)预浸带铺放过程中工艺参数的控制、匹配对制品性能的影响机理尚不明确。(2)预浸带铺放制品缺陷的形成、分布、种类与成型工艺参数之间的关系,以及缺陷对制品性能影响机理等方面的研究欠缺。为探索上述问题,以预浸带铺放制品的性能取决于预浸带结构、组分及铺放工艺为出发点,围绕工艺参数(张力、速度、压力、温度)对预浸带铺放制品性能(物理性能、力学性能)以及制品缺陷的影响规律为主要研究内容,采用理论研究、仿真分析与工艺实验相结合的方法,对以下几个方面的内容进行了详细研究。(1)预浸带铺放工艺技术研究:预浸带铺放是预浸带发生物理状态(几何形状、变形等)和化学状态(分子结构、交联等)变化的复杂过程。建立预浸带铺放时的工艺参数模型及热-力耦合模型,研究预浸带在铺放工艺参数作用下的变形规律和可铺放性。探明预浸带在铺放时的物理和化学转变机制,为实现基于性能的工艺调控方法奠定基础。(2)预浸带铺放制品性能分析及微观组织表征方法研究:首先通过对预浸带铺放制品的弹性性能、强度性能、热膨胀性能及热传导性能进行理论研究,建立铺放制品的理论预测模型。其次利用场发射电镜(FE-SEM)对预浸带铺放制品的微观结构进行观察分析,可知制品的微观缺陷主要有孔洞、基体裂纹、界面层剥落。进一步分析得出基体裂纹、界面层剥落产生于纤维与树脂基体热膨胀系数的不匹配,而孔洞的产生与铺放工艺有关。进一步地研究工艺参数、预浸带材料等因素与制品缺陷的关联性,揭示缺陷的形成规律、影响因素和调控原理。为减少或避免预浸带复合材料制品缺陷提供理论指导。(3)成型工艺参数对制品性能的影响研究:通过数值仿真与实验相结合的方法,利用ABAQUS、MSC.Patran/Nastran等有限元软件建立参数化的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)的细观模型,通过施加合理的载荷及边界条件,对铺放工艺参数作用下预浸带复合材料制品的力学性能、物理性能进行研究。在研究制品缺陷对性能的影响时,在RVE模型中采用删除网格的方法置入相应的制备缺陷。采用有限元计算细观力学方法(Finite Element Computational Micro-mechanics,FECM)预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时制品的弹性参数和热膨胀系数。通过建立预浸带铺放时的热-力耦合模型,利用有限元仿真的方法研究了不同温度和压力参数条件下制品的残余应力。并对结果进行分析,得到各个因素对残余应力的影响规律。(4)基于性能的成型工艺参数调控方法研究:首先,提出了一种基于鲁棒扩展卡尔曼滤波器(Robust Extended Kalman Filter,REKF)的模糊PID(Proportion Integration Differentiation,PID)张力控制算法。基于所搭建的铺放张力控制系统实验平台对所设计算法的仿真结果进行了实验验证,与传统模糊PID控制相比,基于REKF的模糊PID控制器具有较强的抗干扰性和鲁棒性,其可将铺放张力的控制精度提高40%~42%。其次,提出粒子群优化的模糊PID铺放压力调控方法。为了增加压力调控系统的稳定性和自适应能力,使用粒子群优化算法对PID控制变量进行优化,构建了一个自适应优化模糊参数的PSO(Particle Swarm Optimization,PSO)模糊PID控制器作为铺放压力系统的控制算法,并对该算法进行了仿真和实验研究。最后建立了预浸带铺放时温度场的数学模型,分析了铺放过程中温度场的分布;利用ABQUS有限元软件对整个铺放过程进行建模及仿真,研究了铺放温度对预浸带粘性、刚度以及铺放效果的影响。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 论文选题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 碳纤维复合材料
        1.2.2 预浸带铺放成型工艺
        1.2.3 铺放制品性能分析
        1.2.4 成型工艺参数调控
    1.3 选题依据和研究目标
        1.3.1 论文选题依据
        1.3.2 论文研究目标
    1.4 本文主要研究内容
第二章 预浸带铺放成型工艺技术研究
    2.1 引言
    2.2 预浸带铺放工艺过程分析
        2.2.1 预浸带铺放模型
        2.2.2 预浸带铺放温度模型
        2.2.3 预浸带铺放压力模型
        2.2.4 预浸带铺放热-力耦合模型
    2.3 铺放工艺参数作用下预浸带的变形分析
        2.3.1 压力作用下预浸带的变形
        2.3.2 温度作用下预浸带的变形
    2.4 预浸带铺放铺层形成机制
    2.5 本章小结
第三章 预浸带铺放制品性能分析及微观组织表征
    3.1 引言
    3.2 预浸带铺放制品的力学性能分析
        3.2.1 弹性性能分析
        3.2.2 强度性能分析
    3.3 物理性能分析
        3.3.1 热膨胀性能分析
        3.3.2 热传导性能分析
    3.4 预浸带铺放制品微观组织表征
        3.4.1 微观组分特征表征
        3.4.2 微观组织结构参数的测量
        3.4.3 微观缺陷的参数统计
    3.5 本章小结
第四章 铺放工艺参数对预浸带铺放制品性能的影响
    4.1 引言
    4.2 铺放工艺参数对制品弹性性能的影响
        4.2.1 工艺参数作用下的弹性变形分析
        4.2.2 有限元模型及周期性边界条件
        4.2.3 弹性性能的FECM预测及结果分析
        4.2.4 弹性性能的实验测试及结果分析
    4.3 铺放工艺参数对制品热膨胀性能的影响
        4.3.1 细观有限元法计算热膨胀系数
        4.3.2 预浸带细观力学模型建立
        4.3.3工艺参数对热膨胀性能的影响实验
    4.4 铺放工艺参数对制品残余应力的影响
        4.4.1 预浸带铺放制品残余应力的有限元分析
        4.4.2 预浸带铺放制品残余应力的影响因素分析
        4.4.3 界面层对预浸带制品残余应力的影响
    4.5 本章小结
第五章 基于制品性能的铺放工艺参数调控方法
    5.1 引言
    5.2 铺放张力的调控
        5.2.1 铺放张力控制系统的数学模型
        5.2.2 精密张力控制器设计
        5.2.3 张力控制系统的仿真分析
        5.2.4 实验验证
    5.3 铺放压力的调控
        5.3.1 预浸带铺放压力机构分析
        5.3.2 铺放压力的模糊控制器设计
        5.3.3 粒子群优化的模糊PID控制器
        5.3.4 控制算法仿真
        5.3.5 实验验证
    5.4 铺放温度的调控
        5.4.1 铺放温度控制系统的数学模型
        5.4.2 温度控制系统设计
        5.4.3 仿真分析
        5.4.4 实验验证
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 本文工作总结
    6.2 创新点与贡献
    6.3 未来工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张航玉;;是“铺放”还是“平铺”[J];物理教学探讨;2006年19期

2 李星涛;;麦地里的母亲[J];高中生;2017年22期

3 王秀艳;;纸浆画[J];老同志之友;2017年19期

4 秦现增;夏阳;张华;;马铃薯挖掘机薯块后集中铺放装置设计[J];农业机械;2010年15期

5 还大军;肖军;李勇;;复合材料自动铺放CAD/CAM软件技术[J];航空制造技术;2010年17期

6 范国成;高殿斌;杨涛;岳鹏;;大梁带铺放设备概念设计[J];机械设计与制造;2009年01期

7 田会方;吴猛;;纤维带铺放控制系统的设计研究[J];机械工程与自动化;2008年02期

8 杨涛;高殿斌;李开越;葛邦;;840D复合材料铺放系统及其控制策略[J];宇航材料工艺;2008年03期

9 安鲁陵;周燚;周来水;;复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解[J];航空学报;2007年03期

10 吴玉枫;;新型楼草机[J];国外畜牧学.草原与牧草;1987年03期

相关博士学位论文 前10条

1 曹忠亮;热塑性纤维铺放热传导及变角度层合板力学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 张宏基;碳纤维预浸带铺放成型工艺过程及制品性能控制[D];西北工业大学;2018年

3 褚奇奕;自动铺放过程中非完整接触约束下的纤维变形调控及缺陷抑制研究[D];南京航空航天大学;2017年

4 还大军;复合材料自动铺放CAD/CAM关键技术研究[D];南京航空航天大学;2010年

5 邵忠喜;纤维铺放装置及其铺放关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

6 李玥华;热塑性预浸丝变角度铺放及其轨迹规划的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

7 张鹏;碳纤维预浸带自动铺放轨迹规划与铺放适宜性研究[D];华中科技大学;2016年

8 李平;4SY-1.8型油菜割晒机关键部件工作机理与试验研究[D];华中农业大学;2014年

9 张建宝;复合材料自动铺带控制及工艺关键技术研究[D];南京航空航天大学;2010年

10 金诚谦;油菜割晒机输送铺放机理研究与参数优化[D];南京农业大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 赵尧旭;热塑性复合材料机器人铺放设备及工艺研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 李若玺;卧床上铺放干粪渣垫料对奶牛行为和福利的影响[D];河南农业大学;2017年

3 张一卓;小鹰500机身尾椎纤维铺放路径规划与CAM技术[D];哈尔滨工业大学;2018年

4 高士杰;PEEK热塑性复合材料纤维铺放工艺研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

5 常亮;具有复杂边界复合材料层合板的高效铺放技术研究[D];南京航空航天大学;2018年

6 於仁明;复合材料自动铺放过程中质量控制与监控系统的研究[D];南京航空航天大学;2018年

7 奚浩;碳纤维可调桨的自动铺放装置及关键技术研究[D];江苏科技大学;2018年

8 汪准;基于曲线铺放模式的变刚度复合材料结构设计研究[D];武汉理工大学;2016年

9 彭啸;基于自动铺放工艺的预浸料丝束转向铺贴质量表征与调控[D];浙江大学;2019年

10 李发飞;AFP压辊对纤维铺放质量的影响研究及其优化设计[D];浙江大学;2018年

本文编号：2857183