基于定制纤维铺放工艺的电加热织物制备及其半球成型性能

为开发既具有电热性能又满足对三维表面具有一定适应性的电加热织物,采用定制纤维铺放(TFP)工艺设计制备直线形、正弦波形、锯齿形和尖角形4种镍铬合金丝排布方式的电加热织物,研究电加热织物的电热性能和半球成型性能。结果表明:10 V直流电压下通电30 s,4种电加热织物表面最高平衡温度分别达到159.5、92.8、66.7和31.5℃,温度分布均匀;反作用力与镍铬合金丝排布方式密切相关;半球成型最终状态下,直线形电加热织物成型反作用力最小,表面褶皱和细观缺陷最少,且最大面内剪切角为32.26°;与未引入镍铬合金丝玻璃纤维基底织物相近,即直线形电加热织物半球成型性优于正弦波形、锯齿形和尖角形电加热织物。

曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化方法研究

本文以曲线纤维铺放复合材料层合板为对象,构建了层合板单层曲线纤维铺放路径模型;结合层合板离散和单元等效原则,建立了曲线纤维铺放层合板单元等效本构关系;基于材料惩罚模式,以最小化应变能为评价结构刚度的指标,提出了体积约束下曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化模型;基于有限元和移动渐近线方法求解拓扑优化模型,以获取层合板结构最优拓扑构型,采用数值算例验证设计方法的准确性。结果表明:构建的曲线纤维铺放层合板结构拓扑优化方法能够获得有效的拓扑构型,改变曲线纤维铺放路径可使悬臂梁和简支梁结构刚度分别提高36.9%和22.6%,性能得到明显改善。

热塑性复合材料纤维铺放工艺的研究进展

热塑性复合材料由于其良好的可焊接性、可循环利用性、抗化学腐蚀性,特别是短时间内就可加工成型等特点,在未来航空航天构件制造领域有着广阔的应用前景。纤维铺放过程中涉及一系列的物理现象,涵盖传热学、热力学、结晶动力学,牛顿流体力学等学科及这些学科的交叉领域。本文以上述学科的相关知识为理论依据,对纤维铺放工艺中的加热工艺,冷却工艺,铺层间强度,纤维铺放压力和残余热应力五方面内容,通过分析其理论模型的建立和求解方法,介绍和讨论了纤维铺放过程中与最终产品质量相关的基体材料结晶度、铺层间紧密接触程度、铺层间熔合度等关键问题及其中涉及的铺放温度、铺放速率、铺放压力等主要工艺参数。同时,本文还总结了国外的研究成果和研究进展,指出其中存在的一些问题,并对今后纤维铺放工艺的研究方向进行了展望。

复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解

提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法。首先探讨了铺放方向的确定,基于由芯模形心线得到的铺放参考线,针对沿0°,45°,90°这3种铺放情况,设计了具体的铺放路径生成算法。在此基础上,建立了纤维丝数与铺放路径间的对应关系,基于铺放路径的等距离线,提出并实现了一种纤维裁剪算法,使得复合材料纤维较为均匀地铺放在芯模表面。基于CATIACAA,开发了相应软件模块。通过铺放过程的模拟,对本文算法进行了验证。

自由曲面构件的纤维铺放路径规划

针对复合材料纤维铺放工艺及其设备控制的特点,提出了复合材料构件CAE/CAM一体化纤维铺放路径优化设计方法。通过对构件模型的有限元分析,获得构件的内部应力分布,根据主应力的大小和方向合理规划出若干基准纤维铺放路径;提出了基于等距线、等分点原理的两种算法,对基准铺放路径进行均匀密化,实现整个构件曲面的纤维铺放路径规划;讨论了铺丝宽度和铺放精度的控制策略,并给出了铺放头压辊中心控制轨迹,以满足纤维铺放机械手的控制需求。

S形进气道纤维铺放轨迹规划和优化方法

为研究纤维铺放轨迹规划和优化算法,在分析等铺放角法和等距偏置法两种轨迹规划方法的基础上,提出基于纤维带边缘曲线的轨迹规划方法和纤维带丝束数量计算方法。在轨迹铺放角范围满足设计要求的前提下,将等铺放角法和等距偏置法两种轨迹规划方法相结合,提出以曲线在曲面内等距偏置为核心的铺放轨迹优化方法。该算法可以提高铺放设备的工作效率,并对纤维带丝束数量、纤维重叠面积、纤维间隙面积等铺放信息的计算方法进行了分析。最后将以上分析结果应用到S形进气道曲面的铺放轨迹规划中,证明了该铺放轨迹规划和优化方法的可行性。

低能电子束原位固化树脂基复合材料纤维铺放制造及性能

针对树脂基复合材料热压罐固化能耗高、工艺周期长以及高能电子束固化辐射大,设备笨重等问题,研究125 keV低能电子束与纤维铺放相结合的复合材料原位固化分层制造方法及复合材料性能。试验结果表明,125 keV低能电子束穿透能力较差,在辐照固化过程中电子能量衰减很大,不能穿透0.125 mm单层预浸带,双面辐照能够穿透复合材料预浸带且辐照剂量分布均匀。由于低能电子束固化过程温度低,即使辐照剂量达到250 kGy,固化度及玻璃化转变温度仍然只有60.7%和48.3℃。但经加热后固化处理后,复合材料的固化度及玻璃化转变温度得到了大幅度提高,50 kGy双面辐照复合材料层压板经180℃加热30 min后固化处理,其固化度从16.7%上升到97.4%,玻璃化转变温度从–3.2℃提高到167.3℃,同时试验结果表明经50 kGy双面辐照及热后固化复合材料的层间抗剪强度达到59.62 MPa,接近高能电子束固化复合材料层间抗剪强度。

七自由度四丝束纤维铺放机及数控系统的开发

为了实现纤维丝束的自动铺放,研制了七自由度四丝束铺放样机。该设备采用卧式总体布局,铺放头包括丝束夹紧、重送、切断、施压、加热、导向等模块。铺放设备的结构形式为七自由度冗余机构,采用位姿分离法,将机构的七个自由度化简为6+1的非冗余机构的形式,利用简化的运动学逆解方法解决了其运动学逆解问题。数控系统采用当前主流的IPC+运动控制卡的开放式结构形式,运动代码采用标准的G代码形式,并利用运动控制卡的PLC功能,以M代码的形式实现了铺放头的丝束控制动作,实现了铺放机控制代码的标准化。最后通过机床的铺放运动试验,证明了文中阐述方法的正确性和可行性。

纤维铺放轨迹规划的两种方法及其比较研究

为了实现纤维铺放轨迹规划,本文提出了两种方法,即网格化方法和CAD软件的二次开发方法。针对网格化方法,提出了自由曲面的网格化方法和四边形网格铺放轨迹生成算法。针对CAD软件的二次开发方法,基于UG软件,提出了可变计算步长的初始轨迹计算方法、轨迹优化算法和丝束数量计算方法。以某型号的S形飞机进气道为参考模型,利用两种方法分别进行了轨迹规划。最后,对两种开发方法进行了比较研究,发现第二种方法相对于第一种方法具有功能强、开发周期短、与CAD软件的集成度高等优点,得出了其更适合铺放软件开发的结论。

新型纤维铺放头的方案设计与实验研究

本文提出了一种新型的纤维铺放头总体机构和控制方案。该方案可实现纤维铺放时纤维纱的剪切、重送、夹紧、施压等功能。方案中利用气缸带动的铰链机构使得切刀或压头动作,实现纤维纱的剪切和夹紧;利用伺服电机驱动的摩擦轮和风力辅助的方法实现纤维纱的重送;利用气缸和压辊实现对纱带在模具表面的加压,通过调整气缸压力的大小来达到给定的压力。原理样机研制表明该装置夹紧、剪切动作迅速、可靠,重送位置准确,证明了该铺放头方案的可行性。

两类非可展曲面零件自动纤维铺放变角度轨迹规划算法

为了避免非可展回转外壳类零件及非可展曲面变截面接头类零件在自动纤维铺放过程中出现除端面以外的剪切和重送现象,简化纤维铺放过程的复杂程度,提出一种针对这2类非可展曲面零件自动纤维铺放变角度轨迹规划算法.首先获取零件外形的数据信息,然后计算不同位置处的纤维铺放角,得到初始轨线上的点,最终获取所有轨迹线;此外,还针对不同零件给出了初始点的获取方法;并针对非可展回转外壳类零件及非可展曲面变截面接头类零件,以CATIA CAA与VC6.0为开发平台,给出了该算法的具体实现步骤.通过计算相邻两丝束之间的间隙或重叠,对文中算法的可行性进行了理论验证.

纤维铺放设备机械手臂末端运动轨迹的后置处理技术研究

在已知被铺放芯模和芯模铺放纤维轨迹的基础上,对数控铺放设备的后置处理算法进行了研究。通过铺放设备运动过程的分析,将这种冗余度机器人的七个关节分两个部分处理:主轴关节部分和机械手臂部分。运用机器人学相关原理建立杆件坐标系,通过机器人运动学的正解和逆解,得到了机械手臂六关节变量的解。提出利用投影向量法判断铺放螺旋轨迹方向。同时为了实现铺放过程的运动仿真,系统阐述了铺放轨迹的前期处理方法。分析了铺放头角度参数和位置参数的关系及铺放头角度参数的合理范围。最后通过铺放运动过程仿真,证明了所提出的后置处理算法和轨迹数据前期处理方法的正确性。

复合材料纤维铺放技术及其应用

本文介绍了复合材料纤维铺放技术的特征和优点 ,综述其发展历史和世界先进国家在航空航天及其他领域的应用情况 ,并对我国开展纤维铺放技术研究进行了展望。

复合材料机器人纤维铺放工艺参数优化

相较于复合材料结构件传统加工方法的劳动密集型和耗时性,机器人纤维铺放技术大大的提高了复合材料成型过程的灵活性,允许制造更为复杂的结构。基于热塑性复合材料机器人纤维铺放成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触过程与融合过程进行理论分析,提出影响铺放制品质量的关键工艺参数:热气炬温度、铺放压力和铺放速度;针对圆柱形零件轴向0°铺放成型过程,以层间粘结强度为优化目标,根据响应面法设计实验,建立工艺参数耦合对层间粘结强度影响模型,通过方差分析验证了模型可靠性及有效性,进而获得纤维铺放成型最优工艺参数;实验研究表明,在最优工艺参数作用下,层间剥离力最高为24.1 N,铺放制品粘结强度最高。

复合材料纤维铺放自动编程技术研究

纤维铺放是近年来发展最快、最有效的复合材料构件成形技术之一.结合所研制的纤维铺放设备,研究复合材料纤维铺放自动编程技术.在已知芯模曲面和纤维铺放路径的基础上,运用机器人学原理建立了纤维铺放机构各杆件坐标系,设计了空间机构运动学逆问题的简化求解算法,针对纤维铺放路径上的每个控制点,得到纤维铺放机构各运动关节位置和姿态.根据传动机构的组成,计算出各驱动步进电机的转角,从而生成纤维铺放机运动控制指令代码.基于CATIA开发平台CAA,开发了复合材料纤维铺放仿真软件模块.

纤维铺放压辊变形建模与分析

纤维增强树脂基复合材料具有比模量比强度高、耐冲击、抗蠕变、抗震等特点,在航空、汽车、海洋工业中得到广泛的应用。纤维铺放作为先进复合材料成型技术之一,能够高效率、高质量、高重复性和低成本加工大曲率复合材料零件。橡胶压辊在压力作用下会产生变形,从而增加压辊与基底接触的面积,并进一步改善层间结合度。由于不同铺放压力会导致压辊产生不同的变形量,针对纤维铺放压辊变形过程进行分析,通过建立压辊压应力分布模型,获得接触压应力、压辊下压量以及压辊与基底的变形接触区域之间的映射关系,并通过实验验证了该模型的有效性。

整体式风电叶片紫外光原位固化纤维铺放制造技术

针对风电叶片树脂传递模塑制造工艺自动化程度低,劳动强度高,质量不稳定等问题,提出整体式风电叶片自动化制造新方法,该方法将紫外光原位固化工艺和自动纤维铺放技术相结合以实现整体式风电叶片的制造。根据风电叶片前后缘存在极大曲率的外形特点,提出过渡线轨迹生成算法以获得完整的初始铺放轨迹信息。通过CATIA CAA软件二次开发实现前后缘处铺放轨迹自动生成,以解决极大曲率风电叶片铺放路径生成问题。通过分析整体式叶片芯模的制造方案,并进行整体式风电叶片紫外光原位固化纤维铺放成形基础试验,验证了所提出整体式风电叶片自动纤维铺放制造方法是可行的。该方法能够使预浸带沿任意角度铺放,并通过铺缠在芯模上完整的预浸带铺层来代替分片式叶片中的胶层,有利于提高整体式叶片的综合性能。为了进一步提高紫外光原位固化纤维铺放工艺所制备的复合材料层合板的性能,高质量光固化预浸带的研制需要尽快开展。

热塑性复合材料纤维铺放技术研究进展

自动纤维铺放技术是飞机复合材料构件自动化成型的关键制造技术之一,其又可细分为自动纤维丝铺放技术和自动纤维带铺放技术。前者适用于平面型或低曲率的曲面型,或者说准平面型复合材料构件的铺层制造;后者综合了自动纤维缠绕与自动纤维带铺放两者的优点,可实现复杂曲面型复合材料构件的铺层制造。

S型进气道纤维铺放轨迹网格化生成

将网格化方法应用到飞机S型进气道模型的铺放轨迹规划中,即利用UG网格生成器网格化进气道CAD模型,并生成网格化数据,以该数据为基础建立网格单元和节点之间的拓扑关系,在每个网格单元中计算铺放轨迹和轨迹点的法向量。通过仿真试验证明该方法具有程序执行速度快、生成的铺放轨迹曲线光滑、无曲线突变情况等特点,具有一定的工程应用价值。提出利用UG的二次开发功能开发适用于该轨迹生成方法的网格化工具。

七自由度纤维铺放机后置处理算法及比较

为了使七自由度纤维铺放机按规划的铺放轨迹运动,必须研究铺放机的后置处理算法。通过比较七自由度冗余度机器人的各种逆解方法,结合纤维铺放的工作过程,铺放机后置处理算法采用位姿分离法,将7个关节分两个部分进行后置处理算法的研究:主轴关节部分和机械手臂部分。这种算法在保留机构冗余特性的同时,避开了冗余自由度机构的运动学分析、优化问题,简化了后置处理算法。通过分析主轴关节的不同处理方法,提出基于机械手臂末端运动轨迹和基于机械手臂末端施压方向2种算法。并对这2种算法进行分析比较,得出基于机械手臂末端施压方向的后置处理算法使机床运动平稳、关节变量变化范围小、关节角波动小、适用范围广的结论。通过铺放试验验证了后置处理方法的正确性。