碳纤维自动铺丝机的设计与研究

发布时间：2020-11-12 07:08

　　 随着航空航天等领域的飞速发展,传统材料在综合性能上越发表现出其不足之处,在满足强度、刚度、韧性等综合条件的前提下,制件重量成为制约其发展的一个重要因素。而现代科技的发展,对材料提出了越来越高的要求,尤其是在航空航天等高尖端领域,亟需开发出新型材料制件,既能满足机械性能要求,又能最大程度减轻自身重量。在此背景下,复合材料以其特有的优势应运而生。目前,对于轮廓复杂的大型构件难以制造和成本居高不下是阻碍复合材料大量应用的两个难题,同时国民经济快速发展和综合国力的增强使得对高性能复合材料构件需求日益增加。二十世纪中期出现的纤维缠绕机和自动铺带机对复材制品的推广使用起到了促进作用,然而对于制造出形状结构复杂的大型复合材料构件的两大难题,还未能完全解决。而在这两者基础上发展而来的自动铺丝机则较好地解决了这个问题。目前,自动铺丝机的关键技术主要掌握在欧美国家手中,我国对这方面的研究起步较晚,目前正大力追赶中。所以本课题从铺丝头的机构以及铺丝机整体结构入手,设计了一台碳纤维自动铺丝机的原理样机,其结构和功能基本满足铺丝机要求。本文主要研究内容如下:1.铺丝头的结构设计:(1)引线重送机构:采用双辊轮的方式,通过辊轮的挤压以及摩擦力,牵引纤维束在铺丝头内部运动。(2)剪切夹紧机构:气缸带动切刀在滑槽内滑动,在切断纤维束的同时,切刀尾部滑块还能将其夹紧在切刀垫块上。(3)施压机构:双气缸连接导向件,推动压紧轮在芯模表面进行铺放。(4)其它辅助机构例如导向槽等的设计。(5)铺丝头内部整体结构设计:合理安排各个机构的布局,将多束纤维分成上下两路,分别对其进行控制,达到铺丝头的功能要求。2.运动执行机构的设计:主要是龙门结构的设计以及导轨、丝杠等的选型计算。3.铺丝机关键零部件的有限元分析:利用ANSYS对关键零部件进行有限元分析,查看其变形和应力分布状态,并据此对其结构提出改进意见。4.自动铺丝机的运动仿真:利用Solidworks对整个自动铺丝机的运动进行仿真,了解铺丝机的运动过程。5.自动铺丝机铺层设计理论:首先将复材构件分为单层、层合板和制品结构三个结构层次;然后从材料力学的角度对层合板的力学性能进行分析;最后提出了常用铺层设计方法和原则,为后续铺层设计研究奠定了基础。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

图 1-1 典型的自动铺丝设备自动铺丝技术与纤维缠绕和自动铺带技术相比具有明显的优越性。对于缠绕机和铺带机无法铺放的弯曲程度较大或者含有窗口特征的表面轮廓较为复杂的复材构件，铺丝机也能够很好的完成铺放任务，所以其在各行各业应用的范围也比缠绕机和铺带机更加广泛[30][31][32]。该技术使得对复材构件铺放的灵活性得到了很大提升，同时对于复杂轮廓的复材构件的成型生产效率也得到了很大提高。因此全球许多飞机制造厂商都投入了大量时间和精力在自动铺丝技术的研究和发展中。并利用该技术制造飞机上所需的复合材料部件，来自于飞机自身重量方面的压力大大减小，同时飞机的各方面的性能也得到了很大的提升[33]。其主要特点和优点如下[34]-[38]：（1）在铺放过程中，每一根纤维丝束的切断、压紧和重送等步骤都是由铺丝头独立地进行控制的，因此该方法铺放的灵活性得到了很大提升；（2）与人工操作相比，该方法在铺放过程中对运动轴、铺丝头的定位以及铺丝头和芯模转动的控制都是由计算机来精确完成，这样一来就使得铺放过程中铺放角度和各个纤维丝束之间的距离的精度大大提高；（3）自动铺丝机的多自由度特性使得其能够灵活地应对各种轮廓复杂的复材构件的铺放任务，同时在

图2-4汽车引擎盖模型引擎盖长为1440mm，宽1200mm，引擎盖中心顶点到左右圆弧边 ，选取厚度为 10mm 。引擎盖的整体弯度可看成圆弧形状，mm。丝机总体布局设计中，机床的总体尺寸为：4500mm×2800mm× 2布局设计如图2-5所示。门式自动铺丝机的主要技术参数如下：轴（纵向）滑动动程3200mm；轴（横向）滑动动程为1800mm；轴（垂直方向）滑动动程为1200cm；轴全程定位精度0.6mm，重复定位精度0.2mm，最大进给速度40轴全程定位精度0.4mm，重复定位精度0.2mm，最大进给速度20方向上各参数与Y轴一致。

尤其是立柱和横梁，为了防止过大变形造成铺放精度不足，可以在立柱和横梁内部设置隔板和加强筋。图2-6为总体结构设计。图2-6龙门式铺丝机总体结构设计图2.3 铺丝机运动执行机构设计2.3.1 直线运动轴的设计1.直线运动轴传动方式的选择在三维空间中，铺丝头可以到达芯模表面任意指定的位置，这需要由铺丝机的龙门结构来完成，因此机身至少应该具有三个直线运动轴X、Y、Z。直线传动轴的传动方式主要有三种：
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本文编号：2880435