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，并对我国展纤维铺放技术研究进行了展望。     

自动铺放过程中预浸丝束宽度变化研究

碳纤维增强树脂基复合材料因其优异性能,在航空航天等领域得到广泛应用,其使用率已经成为装备先进性的重要指标。复合材料用量的大幅提升离不开自动铺丝技术的强力支撑。国内自动铺丝所采用的预浸丝束宽度尺寸有3.18mm、6.35mm和12.7mm三种规格,宽度和精度是预浸丝束重要的性能指标,它紧密影响预浸丝束的铺放效果,进而影响最终复合材料构件的性能。然而在实际铺放过程中,由于铺放工艺参数的不同,预浸丝束受到的应力亦不同,这样会导致丝束产生不同程度的横向变形。本文通过改变铺放过程中的工艺参数,探究不同铺放压力和铺放温度对预浸丝束宽度的影响,进而分析预浸丝束在铺放过程中宽度变化形成机理,研究对优化铺放工艺、提高构件质量具有指导意义。     

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。     

先进复合材料自动铺带技术

人类社会的发展,科技的进步都让复合材料登上了工业制造的舞台中央.自动铺带技术是一种自动化数控制造技术,如今凭借其成本低、效率高等明显优势成为了制造大型复杂组件的不二选择.概述了自动铺带技术在全球的发展情况,详细介绍了自动铺带技术的应用领域和技术工艺方法,在此基础上展望了自动铺带技术在我国的发展前景.     

激光原位铺放CF增强PEEK基复合材料工艺研究

通过激光原位铺放制备了CF增强PEEK基(CF/PEEK)复合材料,采用差示扫描量热法(DSC)与热重分析法(TGA)对CF/PEEK热性能进行了分析,利用扫描电子显微镜(SEM)表征CF/PEEK微观形貌,并研究了不同温度与铺放压力下CF/PEEK的力学性能。结果表明,激光原位铺放温度在400℃到420℃、铺放压力在220 N左右时,PEEK基体的流动性较好,CF/PEEK粘接牢固,成型的复合材料具有优异的力学性能。     

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。     

复合材料开孔层合板的纤维铺放路径优化设计

本文以开孔平板的单向拉伸和销栓挤压为应用背景,提出了一种面向应用的复合材料构件CAE/CAM一体化纤维铺放路径优化设计方法。利用ANSYS有限元分析工具,根据复合材料构件的受力分析,按构件的主应力形式选用纤维类型、按主应力方向优化设计构件的纤维铺放路径,并按主应力大小设计纤维铺放密度,以充分发挥纤维复合材料性能,提高构件的强度和刚度。详细讨论了应用该方法所涉及的建模、网格划分、理论铺放路径生成和实际铺放路径修正等相关技术。     

全球降水观测卫星用复合材料燃料箱

介绍了全球降水量观测气象卫星的重要结构部件——复合材料燃料箱。这种复合材料燃料箱在返回阶段可烧毁,从而避免产生太空垃圾,降低了对人类和环境的损害。阐述了可消亡的复合材料燃料箱的设计要求,然后从构成燃料箱的铝推进剂管理装置、内衬、压力容器等各部构件结构方面,重点综述了纤维缠绕箱体和裙的预浸料铺放工艺及各部分的连接。最后认为国外研发的复合材料可烧毁燃料箱有巨大的应用前景和太空环保意义。     

纤维曲线铺放制备变刚度复合材料层合板的研究进展

纤维曲线铺放技术可以同时对刚度和强度进行剪裁优化设计,由此制得的变刚度复合材料层合板与传统的复合材料层合板相比,其重量和成本可以减少10%～30%,同时结构性能得到显著提高。本文先介绍了纤维曲线铺放技术及变刚度复合材料的概念,对比分析了纤维曲线铺放的两种方法,然后讨论了变刚度复合材料层合板设计制造的主要问题,重点论述了纤维曲线铺放变刚度层合板的应用研究,最后对纤维曲线铺放技术的应用前景进行了展望。     

基于响应曲面法的自动铺放工艺参数分析与优化

通过对自动铺带(Automated tape laying,ATL)成型工艺的分析,提出了一种新的铺放质量评分标准。采用响应曲面法(Response surface methodology,RSM)设计了铺放工艺参数优化实验,分析了热风温度、铺放压力和铺放速度各工艺参数及其交互作用对铺放质量的影响,建立了各工艺参数与铺放质量的二次多项式回归方程的预测模型。根据回归方程求得了最佳铺放质量下的工艺参数,以及可接受铺放质量下的最大铺放速度时的工艺条件,为自动铺带工艺参数的控制提供了参考。     

MFC环境下基于OpenGL的开孔圆筒的自动铺带建模与仿真

针对带有开孔的复合材料圆筒结构,探索了两步法自动铺带技术,对开孔圆筒芯模进行参数化建模。在WindowsXP平台下,以Visual C 6.0为开发工具,利用MFC库和OpenGL技术,实现了铺带设备及开孔圆筒铺带的可视化仿真,验证了铺带轨迹的正确性。     

关于若干工艺参数对铺带质量影响的研究

为分析自动铺带成型过程中铺放压力、铺放温度及铺放速度各工艺参数对铺放质量的影响,进而预测铺带过程中预浸带的形变,对带变形和带间隙进行微调控制以保证产品质量,本文在南航自行研制的自动铺带机上进行了一系列实验,并以预浸带黏性流动公式分析探讨了各因素的影响。研究结果表明,随着铺放温度的升高、铺放压力的增加和铺放速度的减小,预浸带变形量增加,带间隙减小,符合以预浸带黏性流动公式为基础的理论分析。     

炭纤维预浸带表面状态的影响因素及改进机理研究

通过对不同结构预浸带的对比研究,得出了具有良好表面状态单向预浸带所具有的结构,并且从微观上研究了纤维与树脂的结合方式,得出了影响其表面状态的原因。通过对树脂体系的改进,使纤维能够处于树脂体系的交联结构之中,提高了横向撕裂强度,从而改进了单向预浸带的表面状态。     

窄带预浸料制备工艺研究

简要介绍了8～34mm的窄带预浸料的制造工艺,并着重就影响窄带预浸料质量的几个主要参数,例如胶液温度,纤维运行速度,纤维张力进行了研究,并讨论了不同牌号、不同批次窄带预浸料的工艺稳定性。     

基于PMAC的多层纤维预浸坯超声波切割机构设计与控制

针对碳纤维预浸坯的结构特性以及在传统切割中存在的问题,研究设计了一种超声波切割装置,以PC+运动控制卡作为超声波切割机构的控制系统,伺服电机控制超声波切割刀在工作台上的运动。重点介绍了对C轴刀具旋转运动的控制,以保证超声波切割刀的刀刃方向始终与切割图形的切线方向一致。通过上位机编程软件编程,PMAC运动控制卡发出指令到伺服驱动器,驱动电机进给运动,从而实现自动化切割。该切割系统和传统切割方式相比,具有效率高、切割质量好等优点。     

铺放成型工艺参数对复合材料板材弯曲强度和层间剪切强度的影响

为得出铺放成型过程中热风枪温度、铺放速度、压力辊压力、压力辊温度和底板温度五个工艺参数对复合材料板材弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)的影响,用自制连续玻璃纤维增强聚苯硫醚预浸带进行铺放成型实验制备复合材料板材,分别用正交试验和单因素实验研究其规律。结果表明,压力辊压力对板材ILSS影响最大,底板温度对ILSS影响最小,铺放速度对弯曲强度影响最大,压力辊温度对弯曲强度影响最小。在合适的范围内,降低铺放速度,升高压力辊压力,选择适中的热风枪温度、底板温度和压力辊温度,有利于材料弯曲性能和ILSS的提升。在铺放小车速度为40 cm/min、压力辊压力为0.4 MPa、压力辊温度为240℃、热风枪温度为340℃和底板温度为240℃的条件下,GF/PPS复合材料板材的层间剪切强度和弯曲强度达到最优值,分别为79.94 MPa和1097.37 MPa。     

预浸带分切卷绕机张力控制研究

以自动铺丝机所需的预浸窄带作为研究背景,结合自行研制的16丝束预浸带分切卷绕机对卷绕张力开展研究,简要分析讨论了卷绕张力对预浸窄带分切质量、卷绕质量的影响。为了保证预浸窄带的分切质量与卷绕质量,区别于传统的PID控制算法,重点探讨分析了模糊PID算法在闭环控制系统中的应用,将其运用到卷绕张力的精确控制策略中,实现了小张力的精确控制。控制精度可达0.1N,满足预浸窄带的分切要求,保证了分切与卷绕质量,提高了铺丝质量。     

基于Creo和ADAMS的纤维缠绕机挂纱机构设计与仿真

通过对纤维缠绕机的结构特性和工作原理的概述,发现目前国内纤维缠绕机存在的问题和不足,然后根据实际生产需要在建模软件Creo中对气瓶纤维缠绕机自动挂纱机构进行设计与装配。利用MECH/PRO接口将挂纱机构模型导入ADAMS中,并对其进行了挂纱运动仿真,对几种常见型号的气瓶芯模进行模拟挂纱,获得了机构的运动特性。研究结果表明,所设计的纤维缠绕机自动挂纱机构满足多种尺寸的芯模挂纱设计要求,对解决目前国内纤维缠绕机存在自动化程度不高的问题有一定的指导意义。     

基于OpenGL的纤维铺放可视化系统研究

自动铺放CAD/CAM软件技术是实现复合材料自动化制造的关键技术之一。针对复合材料纤维铺放工艺及其设备特点,提出了利用Open GL在VC6.0平台上开发纤维铺放可视化系统的设计方法。系统实现了芯模的导入与重构,在系统中建立相关联顶点、直线与三角面片之间的拓扑关系,为后续可视化显示提供数据支持。对铺放过程进行运动学分析,确定轨迹点坐标,进而进行纤维绘制。在此基础上,通过可视化系统对芯模表面采用固定角度算法进行铺放,从而验证所开发的可视化系统的有效性。