针对半豆荚杆的先进拉挤系统优化与关键技术研究

发布时间：2017-09-17 15:29

  本文关键词：针对半豆荚杆的先进拉挤系统优化与关键技术研究

  更多相关文章： 复合材料 半豆荚杆 先进拉挤 有限元分析 硅橡胶 接触压力 预处理

【摘要】：复合材料豆荚杆属于一种超长的薄壁管状空间伸展臂结构,在航天领域具有广泛的应用前景,是近期的一个研究热点。然而,超长的特性使得传统工艺并不适用于复合材料豆荚杆的制备。先进拉挤(Advanced Pultrusion,简称ADP)技术是一种高效低成本的自动化连续成型方法,制品长度不受限制。将ADP技术应用于半豆荚杆的制备,可以得到超长半豆荚杆制件。本文以航天复合材料半豆荚杆自动化成型为背景,进行了针对现有半豆荚杆先进拉挤系统的优化设计,并对半豆荚杆的先进拉挤成型压力均匀性、固化工艺等关键技术进行研究。(1)进行ADP机械系统相关的优化设计工作:包括建立半豆荚杆预成型变形准则,分为三步完成预成型曲面构型,确定采用型面滑动变形方式实现预成型;设计预处理装置,确定预处理模具长度、执行元件的选型、加热方案以及软模/硬模组合的加压方式;提出牵引张紧装置设计方案,并在此基础上改进设计了牵引修边装置。完成了相关动作控制系统的方案设计:明确ADP系统各装置动作时序,并编写了PLC控制程序,创建了触摸屏界面。(2)采用有限元方法分析了不同形状与厚度的硅橡胶均压层对半豆荚杆先进拉挤成型时接触压力分布的影响,并以离散系数评价压力分布均匀性的优劣。结果表明:在成型压力为1MPa,温度为156℃(本文所用预浸料树脂体系的反应峰值温度)的条件下,(1)对于采用等距面硅橡胶的热压模具,随着垂向厚度的增加,型面上接触压力分布的均匀性先提高后降低;(2)对于采用平移面硅橡胶的热压模具,随着竖向厚度的增加,型面上接触压力分布的均匀性先提高后降低;(3)采用竖向厚度为9mm的平移面硅橡胶,模具型面上的接触压力分布最均匀,压力分布的离散系数最小,为0.79%。(3)通过有限元软件ABAQUS分别模拟研究了硅橡胶材料体系、成型温度、成型压力对半豆荚杆ADP成型压力均匀性的影响,为后期ADP相关成型工艺的制定提供参考。结果表明:在其他因素不变的情况下,(1)硅橡胶的均压作用随其硬度降低而升高;(2)随着温度的增加,成型压力的均匀性先提高后降低;(3)随着施加压力的增大,型面上接触压力的均匀性随之提高。(4)通过DSC实验得出预浸料树脂体系的相关固化工艺参数,并确定了所用预浸料的ADP热工艺为125℃预处理7.8min,156℃热压30min,176℃后固化36min三个温度平台和加热时间。完成了半豆荚杆的试制,并根据技术指标的要求进行制件的相关检测,结果表明:制件的固化度、树脂含量(质量)、卷曲半径与表面质量均满足技术指标要求。
【关键词】：复合材料 半豆荚杆 先进拉挤 有限元分析 硅橡胶 接触压力 预处理
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 复合材料在航天领域的应用15-16
• 1.2 豆荚杆概述16-19
• 1.2.1 空间可展结构16-17
• 1.2.2 空间伸展臂17
• 1.2.3 复合材料豆荚杆17-18
• 1.2.4 半豆荚杆的制备18-19
• 1.3 先进拉挤工艺19-22
• 1.4 课题研究意义及内容22-25
• 1.4.1 课题研究意义22-23
• 1.4.2 本文主要研究内容23-25
• 第二章 半豆荚杆先进拉挤系统优化25-43
• 2.1 预成型装置25-31
• 2.1.1 预成型设计准则25-26
• 2.1.2 预成型初步模型计算26-27
• 2.1.3 预成型变形截面求解27-30
• 2.1.4 最终预成型网格化曲面造型30-31
• 2.2 预处理装置31-35
• 2.2.1 预处理模具长度设计32
• 2.2.2 预处理加压执行元件选型32-33
• 2.2.3 预处理加热方案设计33-34
• 2.2.3.1 加热方式的确定33
• 2.2.3.2 加热功率计算33-34
• 2.2.4 预处理软模34-35
• 2.3 牵引修边装置35-39
• 2.3.1 牵引张紧装置的前期研究35-38
• 2.3.1.1 牵引张紧装置原理35-37
• 2.3.1.2 牵引张紧执行气缸选型37-38
• 2.3.2 牵引修边装置方案研究38-39
• 2.4 系统平台39-40
• 2.5 拉挤系统动作控制方案40-42
• 2.6 本章小结42-43
• 第三章 先进拉挤成型压力研究43-56
• 3.1 热压模具有限元模型43-47
• 3.1.1 简化模型44-45
• 3.1.2 材料属性45-46
• 3.1.3 分析步、单元类型与划分网格46-47
• 3.2 有限元分析结果47-55
• 3.2.1 等距面接触压力分布47-50
• 3.2.2 平移面接触压力分布50-53
• 3.2.3 平移面软模厚度的精确寻优53-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 其他因素对成型压力分布影响研究56-64
• 4.1 不同材料体系硅橡胶的影响56-58
• 4.2 不同温度的影响58-60
• 4.3 不同压力的影响60-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 基于ADP技术的半豆荚杆制备64-73
• 5.1 固化制度的确定64-69
• 5.1.1 树脂含量测定64-65
• 5.1.2 固化工艺参数的确定65-69
• 5.2 半豆荚杆的制备69-72
• 5.2.1 固化度测定70
• 5.2.2 树脂含量（质量）检测70-71
• 5.2.3 卷曲半径检测71
• 5.2.4 制件表面质量71-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第六章 总结与展望73-76
• 6.1 本文工作总结73-74
• 6.2 后期工作展望74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文81

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本文编号：870198