热塑性复合材料机器人铺放系统设计及工艺优化研究

针对热塑性复合材料的铺放功能及其实际需求,以机器人为载体,开展了热塑性复合材料铺放设备关键技术及工艺优化研究。根据机器人铺放头特点,提出了铺放头总体设计方案,设计了加热、剪断、重送、夹紧、张力调控等功能模块,开发出了电气控制、PID张力控制、温度控制等控制单元,实现热塑性复合材料机器人铺放设备的搭建。采用GF/PP热塑性预浸料,开展工艺对比试验及检测试验,并探究了显微结构对力学性能的影响,结果表明：铺放工艺制备的试样中层与层间有明显区分,且结晶度较低,是造成其力学性能不及真空袋辅助成型的主要原因。采用响应面法优化了铺放工艺参数并进行试验验证,优化后铺放工艺成型构件的缺陷较少,其力学性能与真空袋辅助成型制备的构件相当,从而验证了热塑性复合材料机器人铺放设备的可行性及有效性。     

变角度自动铺丝制造缺陷特性及影响因素的研究进展

自动铺丝作为一种先进的复合材料自动化成型技术被广泛应用于航空航天等领域,其中采用变角度自动铺丝能够提升航空航天结构件的设计空间,对于提高构件整体力学性能具有重要的意义。但目前该技术的加工工艺并不成熟且在成型过程中不可避免产生制造缺陷,对构件的力学性能带来不利的影响。针对变角度自动铺丝成型过程中的制造缺陷特性及其主要影响因素进行综述,介绍了自动铺丝的工作原理及变角度铺丝的优势,分析了褶皱、间隙和重叠缺陷的形成机制及其对变刚度层合板力学性能的影响,深入探讨了变角度铺丝制造缺陷的影响因素类型及作用机理,并论述了制造缺陷的抑制方法,最后总结了现阶段变角度自动铺丝技术存在的不足,并对该技术的未来研究趋势进行了展望。     

高速车削钛合金刀具宏-介观扩散磨损特性

为了研究不同合金成分对刀具磨损的影响机理,利用宏-介观跨尺度关联法及分子动力学理论,采用YG8、YT15及YW2刀具高速车削钛合金,探明刀具宏观热力学特性及磨损特征,分析了三种材料在切削过程中原子群乱序程度,揭示了不同刀具材料原子群扩散特征.结果表明:YW2前刀面温度最高,原子群乱序运动类型已达到晶面解理,向内扩散程度高,扩散磨损严重;YG8和YT15原子群密度和能量稳定,原子群乱序运动类型为微裂纹扩展,向外扩散程度低,扩散磨损较小.三种材料刀具在高速车削过程中扩散磨损程度由高到低依次为YW2YT15YG8.     

热塑性FRP自动铺放成型缺陷的多尺度研究进展

纤维增强型复合材料(FRP)自动铺放成型缺陷形成过程涉及多个时空尺度,仅依靠宏观失效理论及实验分析等方法无法实现对FRP铺放成型缺陷机理的研究。为了解决以上问题,本文针对热塑性FRP,分析了其铺放制造过程中常见的缺陷类型及其形成的基本原因,并结合气泡成核、热力耦合、界面增强理论及原位固结技术的国内外研究成果,指出现阶段FRP铺放缺陷机理研究方法的不足,根据现有的多尺度分析法及材料设计的嵌套式关系,提出反串行嵌套式多尺度分析方法,并讨论了基体的流动性、结晶度、黏弹性及吸湿性等微观力学参数的分析和计算方法。最后,采用灰色关联及多目标优化法,提出FRP铺放成型工艺的多尺度协同设计方法。未来研究重点是在铺放样机应用化的基础上,分析工艺参数、成型缺陷与力学性能的关联特性,揭示缺陷形成机理并优化工艺参数。     

复合材料自动铺丝工艺参数对应力波传播特征的作用机制

利用应力波特征能够有效识别材料结构中内部缺陷及其分布形式,为了将工艺载荷作为应力波激励源对预成型体内部缺陷进行识别,应首先研究铺丝过程中工艺参数对应力波传播特征的影响,以确定应力传感器的放置位置。本文采用有限元方法构建了铺丝过程热力耦合模型,分析了应力波特征参数与工艺参数之间的关系,并进行了实验验证。为了从微观能量角度解释工艺参数对应力波特征的影响规律,采用分子动力学方法,建立了预浸丝界面的分子模型,并计算出总能量、纤维表面能、基体内能等能量参数,识别和评价了不同工艺参数作用下的应力波驱动能量及其贡献比,以揭示工艺参数对应力波特征的能量作用机制。结果表明,以基体内能作为驱动能量的侧向应力波与工艺参数的关系明显,在不同工艺参数施载下,内部缺陷的形成对该波形的作用易于识别,该结论可作为应力传感器放置位置的参考依据。