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。

冗余铺放机器人的自运动流形及逆解优化研究

针对用于复合材料铺放成型的八自由度冗余机器人系统的逆运动学问题,提出了一种求解其自运动流形及逆解优化的算法。首先,基于位姿分离思想定义了位置子流形和姿态子流形,采用几何求解法得到了基于自运动变量的参数化方程形式的位置子流形和姿态子流形;然后,根据机器人的关节约束和实际铺放工艺过程,对给定的铺放位姿进行了位置子流形和姿态子流形配对的仿真,并用流形中若干组逆解通过正向运动学得到了末端位姿矩阵(其结果均与给定位姿相符,从而验证了自运动流形求解过程的正确性);最后,在完成自运动流形求解的基础上,从机械臂运动的平滑性和关节运动变化量两个方面出发,提出了一种基于自运动变量参数化方程的全局优化目标函数;以飞机尾椎模型为实验研究对象,对其中一条铺放路径进行了逆解全局优化仿真,得到了自运动变量和机器人各关节角在铺放路径上的优化曲线,将仿真结果与一种多目标优化算法进行了比较。研究结果表明:针对相同的铺放路径,采用上述优化算法后关节角变化总量降低了11.25%;该算法能够有效地求解八自由度冗余铺放机器人系统的自运动流形,基于全局优化目标函数,其能够在自运动流形中寻找出自运动变量和机器人各关节的最优解。该算法同样也适用于其他位姿解耦的冗余机器人系统逆解问题的求解。

基于激光加热的CF/PEEK复合材料层合板铺放工艺研究

面向热塑性复合材料的高质量成型需求,设计搭建了基于光纤激光加热的CF/PEEK铺放平台,制备了复合材料层合板构件。基于铺放平台的设备参数(激光功率、铺放速度、铺放压力),通过单因素参数分析和多因素正交试验参数分析,结合层间剪切强度测量以及微观形貌显微观测,探究了层合板成型过程中温度、压力两个工艺参数对CF/PEEK层合板力学性能的影响规律。试验结果表明:在试验范围内,层间剪切强度随着铺放温度与压力的增大,呈现出先增大后减小的现象。成型过程中,铺放温度与铺放压力两个工艺参数对层合板层间剪切强度影响程度并不相同,铺放温度的影响更大。试验中制备CF/PEEK层合板的最优工艺参数组合如下:铺放压力为0.2 MPa,铺放温度为402.6℃。

干纤维自动铺放液体成型复合材料技术的研究进展

干纤维自动铺放液体成型复合材料技术是将自动铺放技术和液态成型技术结合,可同时实现先进复合材料的高韧化、自动化和低成本化,是复合材料扩大应用的重点发展方向之一。首先介绍了干纤维自动铺放液体成型复合材料技术的起源,然后分析了国外成熟的干纤维自动铺放材料的组成、性能和制备方法,归纳总结了国外干纤维自动铺放液体成型复合材料构件验证和应用情况,最后简单介绍了国内干纤维自动铺放液体成型复合材料技术现状,以期推动国内干纤维自动铺放液体成型技术的发展和应用。

干纤维自动铺放参数对复合材料剪切性能的影响

为了研究自动铺放过程中干纤维工艺参数对复合材料剪切性能的影响,分析了不同干纤维铺放工艺参数对层合板样件层间剪切性能的影响.结果表明:在给定参数范围内,丝束张力对剪切性能的影响最大;随着丝束张力的增大,纤维展平效果得到提升,剪切性能增强;而随着丝束张力的继续增加,纤维断裂几率增大,剪切性能降低.结合正交试验L9(3^(3))方法确定优选的铺放工艺参数为:丝束张力4 N,压紧力200 N,铺放速度100 mm/s,此时复合材料试件的剪切性能得到明显提升.

国内外复合材料工艺设备发展述评之四——自动铺放成型

本文分析了自动铺放成型工艺所用设备的发展历程,指出其优缺点,并对今后发展提出建议。

三垄六行花生有序铺放收获机的设计与试验

花生是我国主要的经济作物,两段式收获模式因更能保证花生产品质量已成为主流的花生收获方式。为此,针对现有花生挖掘铺放机挖掘阻力大、壅土堵塞、果土分离不清、机具幅宽小导致收获效果差及作业效率低等问题,研制了一种三垄六行花生有序铺放收获机,主要由扶禾装置、挖掘装置、夹持输送装置、有序铺放装置、动力系统和机架组成,可实现对花生的高效挖掘、输送、去土和有序铺放,大幅提高作业效率,达到0.9 hm 2/h以上。通过田间试验研究前进速度、夹持输送链条转速和花生植株夹持位置对花生收获损失率、破碎率、埋果率的影响,结果表明:在1.0m/s的前进速度、260r/min的夹持输送链条转速下,夹持位置为根部以上60mm时,收获质量最佳。

FRP铺放成型技术的研究

纤维增强复合材料铺放成型技术是在手工迭层铺放和纤维缠绕工艺的基础上发展起来的一种机械化、自动化成型工艺。在纤维铺放成型技术中 ,主要采用铺放头机构实现纤维的铺放。该机构包括加料装置、加热装置、加压装置、剪切装置等。纤维铺放成型技术的控制系统主要是采用计算机数控 (CNC)来实现。

热塑性预浸带铺放过程的温度历程分析

采用Ansys模拟与实验研究相结合的方法,进行了模型验证,研究了热塑性预浸带自动铺放过程中各层的温度历程。结果表明,各层粘合点的峰值温度均呈先增大后趋于稳定的趋势,由于铸铝底板与预浸带之间的热导率相差太大,温度历程中粘合点峰值温度存在差异。通过模型计算及调控每层铺放的热气温度,各层粘合点的峰值温度达到一致,证明了该方法的有效性。在保证粘合点峰值温度一致的条件下,通过对不同铺放速度进行模拟发现,铺放速度越大,需要调控的热气温度越小,当铺放速度足够大时,即使不对各层的热气温度进行调控,仍能达到消除峰值温度差异的目的。计算结果表明,该速度的临界值为21 mm/s。

基于PINN的复合材料自动铺放轨迹整体规划

自动纤维铺放能有效地提高复材构件的制造效率和质量。为满足复材构件的力学性能要求及铺放质量要求,在给定曲面目标域内生成铺放轨迹时需要同时考虑转弯半径、纤维角偏差以及轨迹间距等工艺指标。现有铺放轨迹规划方法大多在对基准轨迹进行优化后,通过路径密化生成铺放轨迹。这仅能保证所生成的轨迹满足单一要求,难以整体满足多个优化目标。为实现多优化目标下的复合材料自动铺放轨迹整体规划,本文将轨迹规划问题转换成为目标域内的泛函优化问题,利用内嵌物理知识神经网络(Physics-informed neural network,PINN)实现目标函数的求解,并提取目标函数的等值线作为轨迹规划的结果。相较于现有策略,本文提出的方法能整体兼顾轨迹的方向性、可铺性以及间隙质量,为实现先进复合材料自动铺放轨迹整体规划提供新思路。

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。

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。

NY9200GA树脂体系预浸料自动铺放粘结性工艺研究

为研究NY9200GA环氧树脂体系预浸料的自动铺放粘结性工艺特性,采用自行设计的预浸料粘结性测试装置,通过单因素试验,研究不同铺放工艺条件下预浸料的层间粘结性变化规律;运用正交试验法确定各铺放工艺参数对粘结性的影响程度。结果表明,随着铺放温度的升高,预浸料层间粘结性先增大后降低,在温度为40℃时粘结性出现峰值;铺放压力的增大和速度的减小均会增加预浸料层间的粘结性;温度对预浸料层间粘结性值的影响最大,压力的影响次之。此外,预浸料层间粘结性与放置时间和纤维方向有关,在室温环境中存放的时间越长,预浸料层间的粘结性越低;随着相邻铺层间纤维夹角的增加,预浸料层间粘结性也逐渐增加,其中0°/90°铺层间粘结性是0°/0°的近两倍。

自动铺放红外热源方程的建立与试验验证

为了指导自动铺放红外热源的设计,分析红外热源灯罩间接辐射和灯管直接辐射的热流分布.通过引入角系数密度,考虑红外灯长度与安装高度、灯罩各面宽度与角度及灯管辐射功率与安装位置等设计参数,建立参数化的热源方程.采用有限元和试验相结合的方法,分析红外灯动态和静态加热过程,所测定被加热表面的温度仿真结果与试验结果吻合良好,验证了该红外热源方程的有效性.利用该热源方程,研究红外灯参数对辐射热流的影响.结果表明,当红外灯顶面高度从0.10m降低到0.06m时,有效辐射强度升高1.5倍,均匀度降低31.08%;将灯罩侧面角度设计为60°~75°,适当减小灯罩顶面宽度,可以提高红外灯的有效辐射强度和均匀度.

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。

840D复合材料铺放系统及其控制策略

结合大梁带铺放工艺设计了预浸带铺放设备。铺放设备总体采用龙门式结构。分析了铺放设备运动规律和控制要求。采用西门子840D的Gantry功能对龙门架x向移动和横梁的y向移动实现双边同步驱动。针对大梁带铺放工艺要求采用840D的三轴联动和插补功能实现铺带头主运动,两个光栅传感器检测龙门位置(x,y座标),一个旋转编码器用于控制铺放头摆动位置(z座标)。采用S7-300完成多数字I/O并行控制,搭建了铺带专用数控系统,很好的完成了铺带运动控制要求。

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。

基于自由曲面构件的纤维变刚度铺放路径规划

针对复合材料自动铺放的路径规划问题,提出了一种新的基于自由曲面构件纤维变刚度铺放的方法。根据角度线性变化方式设计了角度参数为>45°/0°<的空间铺放路径,采用空间等距法及正交投影法生成自由曲面芯模表面上的所有铺放路径,并保存成IGES格式,以获取路径数据信息。应用NURBS曲线拟合铺放路径,拟合结果表明,IGES格式不受芯模形状和边界条件的影响,减少了运算量。计算初次拟合后的铺放路径误差为δ(0.09、0.63、0.3 mm),进行节点细化后的误差减小到δ1(0.01、0.09、0.05 mm),从而提高了铺放头运动轨迹的精确度。应用铺放机器人系统对此路径规划算法进行仿真,得仿真偏差δ2(0.01、0.03、0.15 mm),偏差较小,符合铺放要求,表明所提出的方法可实现任意方向任意变角度的纤维曲线铺放,满足铺放工艺要求。

航空用预浸纤维带铺放装备设计

论述了航空用预浸纤维带铺放机构的工作原理及设计方法。采用集成化设计概念,将铺放机的放料、除膜、张力控制、施压、剪切等必要装置集中组成铺放头机构;提出了铺层规划理念,通过840D控制铺放头按规划的轨迹运动以实现铺层;采用位置环、速度环、电流环等控制,完成对伺服电机的位置、速度、电流的调节作用,实现了铺放头的精确定位。

大梁带复合材料铺放系统设计及其仿真

大梁带芯模较长(9m),宽度较窄(50mm),因此将大梁带铺放设备设计为龙门式结构。主要包括X、Y轴直线运动机构和Z轴旋转运动机构。将预浸带铺放过程中所必需的放料装置、除膜装置、张力控制装置、施压装置、剪切装置集中设计在铺放头内部。在Pro/Engineer中建立了大梁带铺放机的三维立体模型,研究大梁带铺放机各机构的运动方式,利用Pro/En-gineer的运动仿真模块对大梁带铺放机的铺放过程进行了计算机仿真。