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作者：

康超

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摘要：

预浸带缠绕技术作为复合材料制品成型的先进制造技术之一,凭借其独特的成型特点,已发展成为筒形类基础构件制造的主要手段,并广泛应用于航空,航天与船舶等工业领域,尤其是火箭发动机与战略导弹壳体的主要生产方式.虽然复合材料的迅猛发展带动了预浸带缠绕技术迈向工业自动化,使之可以缠绕结构更加复杂的零件,但是相对于成熟的缠绕机械系统,其制造成型工艺仍然主要依靠人工经验,容易导致缠绕制品产生不同程度的缺陷,如纤维褶皱,分层及裂纹等;同时,成型方法的落后也制约了缠绕工艺的创新,尤其设计具有期望性能的制品.因此,开展预浸带缠绕工艺研究,建立可靠的工艺参数设计方法,对提高缠绕制品的性能,开展工业自动化等都具有十分重要的理论意义.为解决现有预浸带缠绕工艺主要依靠人工经验的不足,本文基于预浸带缠绕实验平台,分析缠绕工艺中存在的问题,针对预浸带缠绕工艺关键技术:预浸带输送过程中的摩擦系统,筒形件残余应力及环向拉伸强度,工艺参数设计与控制等内容展开研究.论文的主要研究工作如下:(1)建立卷入张力与缠绕工艺参数之间的映射关系.卷入张力是保证预浸带缠绕制品质量的关键因素,其变化受预浸带输送过程中摩擦力的影响.据此,论文基于缠绕机预浸料输送工艺参数作用特点,并依据摩擦理论针对预浸带与热压辊之间的摩擦系统进行分析,通过改进的Howell摩擦方程,提出测量接触区域的正压应力,并利用数值拟合法获得变摩擦系数的间接测量方法.实验结果表明:热压辊与预浸带之间的摩擦系数易受缠绕张力,温度,速度及材料的影响;缠绕温度上升过程中,树脂主导的摩擦逐渐转换为纤维作用的摩擦;提高缠绕张力或降低缠绕速度均可使摩擦力减小.同时,基于实验数据,采用回归拟合方法建立卷入张力与缠绕工艺参数之间的映射关系.(2)建立缠绕筒形件残余应力模型.预浸带缠绕筒形件残余应力的形成与其成型过程密不可分,而其成型过程又分为缠绕成型与固化成型两个过程.在这两个过程中,工艺参数的输入决定了制品应力的变化,据此需要针对成型过程中的缠绕阶段与固化阶段开展应力形成机理研究.首先,基于复合材料厚壁筒弹性理论及叠加原理基础知识,建立缠绕工艺阶段卷入张力作用后引起的应力模型;其次,在固化工艺阶段结合复合材料微观力学理论,获得树脂化学反应收缩应力及加热产生的热应力模型;最后,依据脱模边界条件建立制品残余应力映射模型,并采用应变片测量切槽实验中复合材料筒形件的变形,继而验证模型的准确性.(3)建立缠绕筒形件环向拉伸强度模型.依据复合材料强度与纤维体积含量的关系,并结合预浸带缠绕成型经验,针对热压辊压力与预浸带纤维体积含量关系进行理论分析,采用树脂连续模型,纤维压实模型,赫兹接触理论及温度-粘度模型,研究接触压实区域纤维体积含量的变化.同时,以纤维移动受力为基础,结合树脂流动理论,获得固化工艺阶段因纤维移动而改变的纤维体积含量.继而以最大应力失效准则为基础,建立复合材料筒形件纤维体积含量与环向拉伸强度之间的映射关系.通过实验与数值结果对比发现,复合材料筒形件纤维体积含量表现为内层高,外层低,且环向拉伸强度模型预测较准确.(4)缠绕工艺参数对制品性能的影响规律研究.依据复合材料筒形件残余应力及环向拉伸强度理论模型,对缠绕工艺参数与制品性能之间的影响规律进行分析.选取缠绕张力,温度,速度及压力作为缠绕关键工艺参数,并在实际给定的工艺参数范围内,以恒工艺参数值作为输入,通过理论数值模拟方法揭示预浸带缠绕成型参数对复合材料筒形件残余应力及环向拉伸强度的单因素和多因素耦合作用规律.数值分析表明:增大缠绕张力,温度及速度中的任意参数可使卷入张力增大,提高环向拉伸强度,并且降低残余应力;同时,增大缠绕压力也可提高拉伸强度,但对实验试件的强度提高能力有限.对工艺参数重要度进行分析,结果表明工艺参数影响残余应力的重要度为:缠绕温度缠绕张力缠绕速度;而对拉伸强度影响的重要度为:缠绕张力缠绕温度缠绕速度缠绕压力.(5)缠绕工艺参数设计与控制.将残余应力及环向拉伸强度模型结合,对复合材料筒形件缠绕工艺参数进行设计.根据预浸带缠绕制品结构的不同,首先建立含内衬的复合材料筒形件等环向残余应力的卷入张力设计公式.其次,针对脱模复合材料筒形件提出内压工况下获得均匀环向残余应力的设计基准,并结合基于残余应力模型的神经网络算法及卷入张力模型,采用搜索法得到符合设计要求的工艺参数解集,继而以环向拉伸强度模型对工艺参数解集进行选择,获得最大拉伸强度下的工艺参数组合.最后,为避免因干扰因素引起工艺参数波动而导致制品质量结果偏离期望目标,将残余应力及环向拉伸强度模型应用于工艺参数控制算法,仿真结果表明该控制方法可实时调整参数并减小偏差.

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