An Overview of 3D Thin Shell Textile Preforms

The automobiles, aircraft, and lightweight industries continuously demand thin near-net-shape preforms just out-of-machine as close to the final shape. This study addresses the possibilities of 3D thin shell textile preform as the solution of lightweight reinforcement in various applications. Investigation into the development of 3D thin shells has led to different manufacturing processes. However, 3D thin shell preforms are mostly made by weaving and knitting, but nonwoven, winding, and/or layup techniques have been reported for over a decade. Owing to the complex thin shell manufacturing processes, they are not similar to the conventional methods. The different 3D thin shell preforms can extend the opportunities for new applications in various technical fields. This study presents existing research gaps and a few potential issues to be solved regarding 3D thin shell preforms in the near future.

An Overview of 3D Thin Shell Textile Preforms

The automobiles, aircraft, and lightweight industries continuously demand thin near-net-shape preforms just out-of-machine as close to the final shape. This study addresses the possibilities of 3D thin shell textile preform as the solution of lightweight reinforcement in various applications. Investigation into the development of 3D thin shells has led to different manufacturing processes. However, 3D thin shell preforms are mostly made by weaving and knitting, but nonwoven, winding, and/or layup techniques have been reported for over a decade. Owing to the complex thin shell manufacturing processes, they are not similar to the conventional methods. The different 3D thin shell preforms can extend the opportunities for new applications in various technical fields. This study presents existing research gaps and a few potential issues to be solved regarding 3D thin shell preforms in the near future.

双工位针刺机器人系统设计

针对单工位针刺成型系统中人和机器无法高效协同生产,预制体生产效率较低;现有的直线型双工位针刺机器人设备需要2个外部回转轴带动双工位参与织物针刺,系统编程难度较高,且工位切换时需要占据的空间大的问题。提出一种混合切换双工位针刺机器人系统,并开展了双工位针刺成形系统的机械结构设计、异型预制体模具和针刺工艺设计、控制系统设计、运动仿真以及预制体制备的实验验证。结果表明:系统成功实现了大尺寸异型曲面预制体的高效针刺成形,直线/旋转混合切换的双工位使得实现预制体的自动换装的同时又能保证系统空间占用量小;双工位中只有针刺工位上的外部回转轴与6关节机械臂联动,系统较为简单,编程方便;同时提高了数控回转工作台的承载力且将针刺末端执行器的布针数量增加至25针,满足了大尺寸预制体的针刺成形,并使得针刺成形效率直接提高2倍。本文系统可应用于批量化制备大尺寸异型曲面复材预制体。

三角形编织工艺数字化建模方法

三维旋转式编织工艺按角轮缺口数分为三角形、四角形和六角形编织工艺,其中三角形编织工艺研究较少。为探索基于三角形编织工艺的预制体结构,基于Python语言和CATIA开发编织工艺软件,获得预制体几何结构。角轮和交换轮交替旋转,驱动携纱器在底盘中运动,使纱线相互交织形成预制体。对角轮、交换轮、携纱器的编号和运动状态进行数字化编码,研究不同旋转状态下携纱器的交换规律。携纱器轨迹与编织节点高度共同确定了织物空间拓扑结构,采用三次B-spline曲线对纱线空间轨迹进行拟合,建立预制体的参数化几何模型。结果表明:采用三角形编织工艺获得的预制体结构紧凑,织物几何模型与试验样件一致性较好,验证了建模方法的精度。

用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

从知识导向到素养立意:生成论视域下的作业评价变革

受预成论哲学的影响,我国中小学作业评价长期陷于知识导向的评价困局,学生发展的全面性、过程性和生活性难以得到充分彰显。区别于传统的预成论哲学,生成论哲学以主张生成性、强调主体间性和注重现实生活性为显著特征,可为突破当下知识导向的作业评价困局提供有益的变革思路和可鉴的变革行动。在生成论视域下,素养立意是当下作业评价变革的主要方向。为了促进学生核心素养的培育与发展,中小学的作业评价需要调整作业评价目的,确立以素养立意的作业评价理念;革新作业评价过程,强调协同共生的多元主体共同参与;改革作业评价方式,注重分层分类的现实情境评价。

乳切牙树脂预成冠的数字化设计方法及初步应用

目的:本研究旨在探索乳切牙树脂预成冠的数字化设计和制作方法,并初步评价其临床适合性。方法:应用牙颌模型扫描仪获取儿童乳牙牙列教学模型4颗上颌乳切牙临床牙冠的三维数据,应用逆向工程软件Geomagic Wrap 2021,参考王慧芸教授对中国儿童乳牙外形的测量和统计数据,对上述上颌乳切牙三维扫描数据进行尺寸比例和三维形态的调整,以切端0.8 mm厚度和唇腭面0.3 mm厚度的牙冠设计参数,构建乳切牙预成冠标准尺寸数字模型。参考儿童口腔科临床常用的上颌乳切牙透明树脂冠各型号间的尺寸比例关系,设计出4个牙位(51、52、61、62)3个型号的乳切牙预成冠数字模型,通过五轴数控切削技术制作出临时冠桥树脂材质的乳切牙预成冠,进行临床病例试戴评价。结果:完成了上颌乳切牙(4个牙位)树脂预成冠的数字化设计和制作方法,并初步进行了临床病例应用,儿科高年资专家对本研究乳切牙树脂预成冠的应用评价显示,其在外观、颜色和强度等方面均可满足口腔儿科临床的应用需求。结论:本研究采用数字化方法设计和制作的乳切牙树脂预成冠,针对儿科临床乳切牙大范围龋损修复的病例,相比传统乳切牙透明树脂冠充填修复技术具有更好的牙冠解剖外形恢复和更佳的美观修复效果,并且该技术可以实现更便捷的临床操作流程,有较好的儿科临床应用前景。

碳纤维三维编织预制体渗透特性实验研究

针对航空发动机风扇机匣用碳纤维三维编织复合材料,开展了预制体材料渗透特性的实验研究。实验模具为厚度可调的长方体中空结构。通过分析液体在厚度和孔隙率不同的4种三维编织预制体内的渗透过程,结果表明,所有预制体在面内的渗透主向与编织的轴/横向平行,且轴向渗透率约为横向渗透率值的3.2倍。液体在A预制体内的渗透性最好,其轴向、横向和厚度方向的渗透率值分别为1.136×10^(-10)、4.259×10^(-11)和5.900×10^(-12)m^(2),厚度方向上的渗透率远小于面内渗透率,差距在1~2个数量级。液体在预制体内3个方向上的渗透是相互影响的过程,预制体厚度方向上的渗透特性影响了面内的渗透特性。

SiC纤维预制体结构对SiC_(f)/BN/SiC复合材料致密化和力学性能的影响

为了研究碳化硅(SiC)纤维预制体的结构对SiC基体的化学气相渗透(CVI)工艺致密化过程的影响,利用模拟计算方法分析了2D叠层、2.5D和3D正交三种编织结构SiC预制体在SiC致密化过程中的孔隙结构演变规律,并采用三氯化硼-氨气-氢气-氮气(BCl_(3)-NH_(3)-H_(2)-N_(2))混合气体和三氯甲基硅烷-氢气-氮气(MTS-H_(2)-N_(2))混合气体作为前驱体,利用CVI致密化工艺制备出三种预制体结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料。结果表明,SiC纤维预制体结构不同,SiC_(f)/BN/SiC复合材料的致密化效率不同,其中2.5D纤维预制体的致密化速率最快,3D正交预制体的致密化速率最慢。致密化120 h后,三种预制体结构的复合材料密度均达到2.3 g/cm~3以上,开孔率为10%左右。三种结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料拉伸强度为130~170 MPa。在层间剪切过程中,2D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料与2.5D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品都出现了XY面的纤维剥离现象,而3D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品发生了正交Z向纤维的断裂。由此可知,SiC纤维预制体结构影响了所形成复合材料的致密化过程和力学性能。

预制孔式无铆连接尺寸关系对铆接质量的影响研究

为了研究预制孔无铆连接的工艺参数对铆接质量的影响,设计了预制孔无铆连接模型,以板厚、冲头半径、预制孔半径、倒角尺寸等为变量,分析得到了无铆连接中一种变量组合对应的该种组合下预制孔尺寸的最佳取值。建立了预制孔无铆连接的有限元模型,通过DEFORM-2D软件模拟预制孔无铆连接过程,控制铆接成形后的铆接头底厚值为0.2 mm,在预制孔半径范围计算公式所确定的范围内选取预制孔最佳尺寸参数,研究了预制孔倒角尺寸对铆接头成形质量的影响。结果表明,预制孔的半径、倒角尺寸等直接影响铆接头质量,上、下板材厚度均为2 mm,预制孔半径选用4.01 mm,倒角尺寸为1.2×45°时,铆接质量最好;铆接速度影响铆接头的颈厚值,铆接速度越大,颈厚值越小。

氟橡胶O形密封圈预成型优化因素分析

本文对FX-17氟橡胶O形密封圈成型过程中坯料软化、坯料薄通、坯料圈成型等预成型工艺控制与优化进行了分析。试验表明,在氟橡胶一段硫化和二段硫化参数一定的情况下,通过对O形密封圈预成型工艺参数优化,预成型前后橡胶O形密封圈内径、线径、拉伸强度等成型质量和性能波动均降低,预成型工艺优化后可以减少氟橡胶O形密封圈尺寸和拉伸强度波动,能够提升氟橡胶O形密封圈加工成型质量和性能。

基于星点设计和响应面法的支架焊合件成形工艺优化

通过对焊合件的材料、结构及工艺进行分析,确定关键影响工序。对原冲压工艺方案进行多工序仿真模拟,并分析仿真结果,找寻产生开裂缺陷的原因。通过增加焊合件预成形设计和改变坯料的形状来改善工序间的载荷传递,建立以焊合件的最大减薄率和最大回弹量为优化目标,以冲压速度、摩擦因数、压边力和模具间隙为设计变量的响应面模型,结合二阶响应面法与DesignExpert,采用星点设计试验方法对支架焊合件的工艺参数进行优化,确定最佳参数组合为:冲压速度1263mm·s^(-1)、摩擦因数0.15、压边力598k N、模具间隙4.55mm。试产结果表明:通过预成形方案与优化工艺参数可以解决支架焊合件开裂及回弹问题。

基于Unity3D的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现

为提高战斗部的设计迭代与毁伤评估效率,引入典型相控阵雷达的目标易损性模型,构建了杀爆战斗部威力场计算模型、弹目交会模型以及典型相控阵雷达的毁伤概率计算模型,并基于Unity3D引擎搭建了杀爆战斗部对相控阵雷达的毁伤评估系统。系统能够实现杀爆战斗部的参数化设计、威力场计算以及杀爆战斗部对典型相控阵雷达毁伤概率的计算及毁伤效果的可视化。针对某杀爆战斗部进行试算,系统直观显示了战斗部威力以及对典型相控阵雷达的毁伤效果,设置战斗部落速为100 m/s, CEP为1 m,计算得到了落高为4~7 m,落角在30°~90°的弹目交会条件下战斗部对典型相控阵雷达的毁伤概率。所设计的系统功能完备,可以为杀爆战斗部方案设计及对相控阵雷达的毁伤评估提供支撑,系统开发的思路可以为战斗部威力计算及毁伤评估软件的设计提供参考。

基于改进人工势场法的机织机器人避障路径规划

针对机织机器人自动化作业时的避障问题,提出基于改进人工势场法的三维避障路径规划算法。利用改进人工势场法中斥力势场函数,引入修正系数,在机织机器人陷入局部极小值点时增加虚拟障碍物,破坏其在虚拟力下的平衡状态,解决了人工势场法无法到达目标位置和局部极小值点的问题。通过体素化网格方法和快速凸包算法处理障碍物点云数据,重建实际障碍物模型,提高了碰撞检测效率。仿真结果表明,以点云数据重建障碍物模型并采用改进人工势场算法规划出的避障路径使机织机器人成功到达目标位置,末端位置精度平均提高37%,并避免陷入局部极小值点。

碳纤维复合材料编织-针刺预制体成形质量研究

编织-针刺复合成形技术可实现大厚度回转形复合材料预制体一体化成形。为研究编织-针刺复合材料预制体成形质量,试制了不同K数纱线、编织角度的编织-针刺预制体以及作为对照组的机织-针刺预制体。考虑背面针刺纤维束形貌以及基布损伤提出通过用预制体纤维束细长率χ_(f)定量表征针刺纤维束形貌。结合实际针刺预制体剥离曲线的变化特点,采用有效剥离曲线内所有波峰和波谷的平均值来对层间剥离强力进行描述。结果表明,试样纱线K数为6K时,编织-针刺预制体平均细长率相较机织-针刺预制体提升7.2%,编织-针刺预制体纤维束形貌更理想。当纱线K数由6增加至12时,机织-针刺预制体背面纤维束平均细长率提升了78.9%,编织-针刺预制体却减少了30.6%,其原因在于编织-针刺预制体刺针作用位置处纱线被挤开,增大了纤维束投影面积。编织-针刺预制体在层间剥离强力指标方面优势显著,各试样相较机织-针刺预制体提升38.0%以上,12K纱线编织-针刺预制体层间剥离强力比6K纱线大78.3%,且随着编织角由30°增加至60°,编织-针刺预制体平均剥离强力减少46.6%。

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。

热固性碳纤维预浸料单/双隔膜预成型对比及数值模拟

热隔膜成型工艺是一种快速成型预成型体的方法。为了对比单/双隔膜预成型工艺预成型体质量的差异,利用热隔膜成型装置成型具有双曲特征的C形预成型体,通过观察试验件褶皱产生的大小和位置评估成型温度、铺层顺序、铺层数、预成型体尺寸和成型工艺对预浸料成型质量的影响,同时建立了热隔膜成型仿真模型,并对仿真结果与试验结果进行对比。研究表明:铺层顺序对褶皱的产生有很大的影响,减少[45°/0°]铺层组合可以有效地减少褶皱产生,0°铺层在受压时容易诱导褶皱产生;预成型体越厚越容易产生成型缺陷;对于C形预成型体,采用双隔膜成型比单隔膜成型具有更好的成型质量,尤其对缘条位置褶皱的产生具有显著的抑制作用;基于ABAQUS建立的热隔膜成型仿真模型能较为准确地预测褶皱。

钢丝绳芯输送带接头强度与预成型芯胶技术研究

钢丝绳芯输送带是带式输送机的牵引和运载构件,接头破坏是引起钢丝绳芯输送带故障的主要原因。为了提高输送带的接头强度和接头硫化效率,基于现有接头硫化工艺,提出了一种预成型芯胶敷设技术,以ST1600型钢丝绳芯输送带接头为研究对象,对该技术的应用进行了理论分析和试验研究。首先,建立输送带接头力学模型并进行受力分析,通过ANSYS Workbench软件研究钢丝绳水平、垂直间距不均匀性对接头强度的影响,然后,提出预成型芯胶敷设方法,通过芯胶流固耦合分析对比了填充式芯胶与三角形、梯形和半圆形芯胶凹槽对限制钢丝绳偏移的作用效果。最后,通过接头预成型芯胶硫化试验研究了该技术对输送带胶体粘合强度、接头硫化效率以及接头强度的影响。研究表明:输送带接头处钢丝绳的受力与其纵向位移有关,由于传统接头硫化作业中无法实现钢丝绳的均匀分布从而引起钢丝绳受力不均,影响接头强度,而钢丝绳水平间距相较垂直间距的变化对钢丝绳等效应力的影响尤为显著,更易引起接头钢丝绳的破坏。预成型芯胶敷设技术能够有效减少钢丝绳的偏移量,其中半圆形芯胶凹槽效果最优,水平方向减少70%,垂直方向减少86.9%。在相同硫化条件下,与填充式芯胶相比,三角形、梯形和半圆形芯胶凹槽硫化后的粘合强度分别提升了1.91%、−3.51%、2.48%,半圆形芯胶与钢丝绳结合度最好;采用半圆形芯胶凹槽的预成型芯胶技术敷设钢丝绳可减少70%作业时间,硫化后的输送带接头强度提高5.74%。研究结果可为钢丝绳芯接头硫化工艺的改进提供理论和实践指导。

内衬结构对活性破片高速驱动影响规律研究

为实现活性破片在高速驱动下的完整性,研究内衬结构对活性破片高速驱动的影响规律。根据能量守恒定律建立了考虑内衬伸长率的破片初速计算模型,选择2A12铝、20号钢与20号钢/芳纶复合结构三种内衬,基于物态方程分析了内衬与破片接触面上的界面压强,设计了2A12铝和20号钢/芳纶复合结构内衬战斗部方案,通过静爆试验对活性破片破碎情况及计算模型进行了验证。结果显示:20号钢伸长率较2A12铝提高了145.83%,20号钢/芳纶复合内衬战斗部较2A12铝内衬战斗部装填比降低了14%,破片初速提升了10.85%;所建立模型的计算结果与试验吻合较好,计算精度较现有模型提高了8%以上。基于试验结果和理论分析,表明20号钢/芳纶复合内衬实现了对活性破片2 300 m/s以上速度的爆炸完整驱动。

预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学和热性能的影响

本文采用化学气相渗透法制备了具有二维多层、三维角联锁机织和多轴三维编织三种预制体结构的SiC_(f)/SiC复合材料。在综合分析纤维排列、SiC基体和孔隙分布的基础上,详细讨论了预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学性能和热性能的影响。结果表明,复合材料的力学性能和热导率受纤维排列方式和复合材料密度的综合影响,而热膨胀系数主要受纤维排列方式的影响。此外,二维多层复合材料、三维角联锁机织复合材料和多轴三维编织复合材料的热导率可以分别用串联模型和平行模型来解释。多轴三维编织复合材料由于内部具有连续的可以作为热流快速通道的三维网状SiC基体层,因此具有较高的室温热导率。而随着温度的升高,SiC声子间的散射逐渐增强,SiC基体层在多轴三维编织复合材料中作为声子传播快速通道的作用逐渐减弱,热导率随温度降低的趋势更明显。