网格结构纤维缠绕和铺放成型工艺研究

发布时间：2020-08-06 12:02

【摘要】：随着航天航空领域的发展,复合材料及其结构得到了广泛的应用。网格结构是一种典型的加强结构形式,20世纪50年代金属材料的网格结构就被用于飞行器结构之中,实现结构的减重。纤维复合材料制备的网格结构承载效率更高,在国外已经被大量应用于航空航天结构。本文将围绕纤维复合材料成型网格结构的工艺和力学特性展开研究,旨在建立网格结构的数学表征与工艺模型,并设计、搭建网格结构缠绕及铺放设备。首先,本文提出了采用环向肋与螺旋肋个数表征网格密度的方法,推导了三角形、菱形、矩形等图案网格密度与圆柱结构尺寸之间的关系。利用apdl语言,开发了圆柱网格结构分析的通用子程序,实现了对网格结构轴向承载能力的分析。分析结果显示,正方形图案网格结构的轴向承载效率最高,正三角形图案的网格结构次之,菱形网格图案的加强效果最差。通过增加网格密度,可以适当提高网格结构的轴向承载效率,当网格密度达到某一值时,继续增加网格密度,对承载效率的提升作用有限。另外,还对网格交叉点处的结构进行了研究,确定了减少网格交叉点纤维架空与堆积问题的工艺路线。其次,建立了网格结构纤维缠绕的数学模型。针对菱形图案,建立了菱形图案网格结构缠绕线型的数学模型,分析了螺旋肋的布满规律。改进了环向肋的缠绕方法,提出了环向肋与螺旋肋同时缠绕的多丝嘴缠绕方案,根据螺旋肋与环向肋的缠绕节拍,推导了缠绕螺旋肋与环向肋所需单层纤维厚度的关系。设计并搭建了可用于环向肋缠绕的桌面式多丝嘴四轴缠绕机。然后,通过对网格结构铺放工艺特点的分析,设计了适用于网格结构铺放工艺的铺放头。该铺放头具有夹紧剪切、重送、压紧等基本功能,其采用了独立纱路、独立压辊的模块化设计,可以根据网格结构铺放工艺的需求,扩展铺放头的数目。完成了网格铺放系统样机的搭建,开展了铺放实验。最后,设计了圆柱网格结构样件,根据样件的结构尺寸,制备了石膏硅胶组合模具。采用环向肋与螺旋肋同时缠绕的方法成型了圆柱网格结构,固化方式选择中温热风固化,制备的网格构件质量为63.62g。进行了轴向压缩实验,实验结果表明:成型的网格结构可以承受的最大轴向载荷为19744.99N,质量载荷比为310.36N/g,结构的失效破坏主要是由靠近交叉点附近的螺旋肋分层、断裂破坏引起的。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V214.8

【参考文献】