自动铺带技术研究进展

在介绍先进复合材料应用和需求的基础上,阐述了复合材料低成本制造技术的发展趋势;简要介绍了复合材料自动铺带成型技术的发展历程和应用,从数控系统、CAD/CAM/CAE技术和成型工艺三个方面论述自动铺带技术的发展,并着重阐述国外自动铺带技术的研究概况;在介绍国内自动铺带技术发展现状的基础上,提出自动铺带技术的发展建议.     

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。      

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     

自动铺丝过程中预浸料的侧向弯曲

根据自动铺丝过程中预浸料的受力特点,建立预浸料的侧向弯曲变形模型。利用最小势能原理、瑞利-利兹法以及相关的复合材料力学理论,推导出预浸料侧向屈曲半径公式。研究自动铺丝温度、压力、速度、黏附力等主要工艺参数对侧向弯曲性能的影响,并用自动铺丝机铺放不同半径的预浸料圆弧进行验证。结果表明:随着温度增大、压力和速度减小,预浸料的侧向弯曲性能提高;增加预浸料黏附力可显著提高其侧向弯曲性能,符合理论分析结果。     

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

铺层角度对碳纤维/形状记忆环氧树脂层合板形状回复性能的影响

对不同铺层角度的碳纤维/环氧树脂形状记忆复合材料(SMC)层合板的弯曲回复性能进行了研究。结果表明,[±θ]_s铺层方式的SMC层合板的形状回复率、回复力均随着铺层角度增大而减小,回复时间随着铺层角度增大而增大,其中铺层角度增大至45°后,回复时间开始出现大幅的增加,铺层角度增大至60°后,回复率开始出现大幅的降低。对SMC层合板进行了15次的赋形-回复循环过程,发现不同铺层角度SMC层合板均能保持较稳定的形状记忆回复率和回复时间。但在铺层角度0~30°的范围内,层合板的形状回复力随着铺层角度增大而减小。最后分析了不同铺层角度SMC层合板的局部损伤,结果表明,[0]_4和[±15]_s铺层方式的SMC层合板基体已达到了其极限剪切应变,基体发生严重破坏,并且会随着赋形次数的增加而加剧。     

基于冲击损伤的复合材料气瓶铺层顺序优化设计

基于瞬态动力学理论和遗传优化算法,以提高抗冲击损伤能力为优化目标对复合材料气瓶的铺层顺序进行优化.遗传算法利用MATLAB软件实现,复合材料气瓶冲击损伤分析采用ANSYS进行,通过两个软件之间的信息传递,实现优化计算.以铝内胆复合材料气瓶为算例进行优化,结果表明,在同一冲击能量下,优化后的气瓶基体破裂面积和基体破裂层数...     

复合材料层压板振动参数的铺层顺序优化研究

本文针对目前在复合材料结构设计中较少考虑的振动特性优化问题,采用减缩区间法与枚举法相结合的手段,对给定层数和角度的层压板进行了铺层顺序的优化研究,使其满足振动频率和模态阻尼的要求。通过对20层对称层板的计算可以看出,采用本文所述方法,不仅可节省大量计算时间,而且所得的频率和比阻尼容量值与实验结果具有良好的一致性,证明了该方法的可靠性。本文的研究可作为工程设计中一种有效的手段,所完成的软件具有一定的工程应用价值。      

自动铺放过程双马树脂预浸料温度与黏度

通过对自动铺放成型工艺的分析,探索了自动铺带成型过程中预浸料温度对复合材料黏性的影响规律。对影响预浸料温度的热风温度和铺放速度两个因素进行了研究,从理论上建立了热风加热温度和铺放速度与预浸料温度之间的关系,提出了控制预浸料温度的具体实施方案,指导自动铺带成型过程。根据双马树脂预浸料黏度和温度曲线,分别在不同的热风温度和铺放速度条件下进行实验,得到在热风温度为90℃、铺放速度为10-20m／min时,预浸料黏度满足铺覆性要求,验证了预浸料热风温度和铺放速度对复合材料制品质量的影响,为自动铺带工艺提供参考。     

一种低失真度多普勒测速仪回波模型的构建和分析研究

为了支撑研究并评估多普勒测速仪(Doppler Velocity Log,DVL)信号处理算法的性能,需模拟海底回波信号,故需构建失真度低的海底回波模型.文章提出了扇环形海底回波模型,在此基础上,构建了一种基于散射理论的海底回波优化模型.将此优化模型和传统模型进行了对比分析,结果表明,优化模型较传统模型,与真实海底回波...     

基于路段时间窗考虑备选路径的AGV路径规划

针对自动化集装箱码头基于卸箱任务的自动导引车（automated guided vehicle,AGV）路径规划问题,结合最优路径数学模型、路径搜索方法和时间窗,提出了一种基于路段时间窗的AGV路径规划方法。首先,在给AGV下派任务的基础上,用最优路径数学模型为AGV规划出最短路径;其次,用路径搜索方法搜索AGV的备选路径,在路径长度相同的情况下,按照路径中转折次数确定备选路径优先级,转折次数少的备选路径优先级高;最后,在各AGV最短路径下,设置各个路段的时间窗,时间窗无重叠则表明AGV无冲突,对于时间窗重叠的路段,采用在原路径上插入时间窗或者在备选路径上插入时间窗的方法,再进行时间窗重叠测试,若还存在重叠的,则继续调整至最终实现多AGV的无冲突路径规划。为了验证方法的有效性,以8台AGV分区同时工作为例,用实例证明所提出的路径规划方法的避碰效果。结果显示该方法能为多台同时工作的AGV规划出一条无冲突优化路径,并且用时较短;在试验中发现选择在备选路径上插入时间窗的方法效果更好。研究表明所提方法能有效实现AGV的避碰,提高AGV利用率和自动化集装箱码头的运作效率。     

Ceramic green tape extrusion for laminated object manufacturing

Al₂O₃ and SiC green tapes with 0.2 mm thickness used for LOM (laminated object manufacturing) were prepared from a 75 wt.% ceramic suspension in a LDPE based organic vehicle followed by extrusion. Rheological characterization of the alumina and SiC suspensions were studied. TG-DTA analysis was carried out in air and microstructures were examined by SEM.     

预制键槽式UHPC与后浇混凝土界面粘结抗剪性能

永久性模板的使用可实现混凝土结构的快速施工,缩短工期,提高整体结构的承载能力和耐久性能。其界面粘结抗剪性能是确保永久性模板与混凝土协同工作的关键。本文设计并制作了3组不同强度混凝土试件和10组键槽式超高性能混凝土(UHPC)-普通混凝土(NC)复合试件,通过单面剪切试验和理论分析,系统研究了键槽密度、键槽间距、混凝土强度、养护条件等对键槽式UHPC-NC结合面抗剪性能的影响。结果表明：整体试件的裂缝与加载中心轴线呈一定角度,UHPC-NC结合面破坏发生于普通混凝土一侧。UHPC-NC荷载-滑移曲线细分为4个近似线性阶段,其极限滑移量均在0.9 mm以内。复合试件UHPC-NC的粘结面总剪切强度由粘结面接触摩擦力、水泥石-骨料相互作用、键槽-骨料互锁机制、剪切膨胀提供。合理的UHPC-NC键槽界面在提高界面粘结抗剪强度的同时,可有效提高界面相对位移。在60℃蒸汽养护条件下,水泥石-骨料界面及UHPC-混凝土界面作用减弱。建立了键槽式UHPC-后浇NC界面抗剪承载力修正公式,其计算值与试验值具有较高的吻合度,大多数结果落在90%置信区间,置信区间之外的点,受试件养护龄期的影响。因此,要准确计算键槽式UHPC-NC复合试件抗剪强度还需要考虑养护龄期的影响,引入养护龄期修正参数。     

单向拉伸条件下补片参数对复合材料胶接修复结构的影响

建立含中心半穿透圆孔的损伤金属板修补结构的三维有限元模型,以应力集中系数(Stress Concentration Factor,SCF)和挠度w作为复合材料胶接修复效果的指标,分析单向拉伸条件下,正方形补片的长度、厚度和铺层方式对修复效果的影响。结果表明:补片长度取孔直径的3.5倍、厚度取孔深度的0.6~0.8倍、铺层方式取0°/90°铺层时,复合材料单面修复含损伤裂纹板的效果较好。根据分析结果制备了实验件,进行了单向静拉伸实验,修补实验件的破坏强度比未修补实验件提高了10.1%。     

一种用电晕放电仪实现PDMS改性与键合方法

聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面改性与键合是微流控芯片制作中的关键技术之一.本文比较分析了PDMS常用表面改性方法的优缺点,利用电晕放电仪在常温环境下产生的氧等离子体实现了对PDMS表面改性及不可逆键合,优化了电晕放电仪的表面处理参数,重点测试了PDMS分别与PDMS和PMMA之间的键合强度.并与紫外照射、表面活化剂等表面改性方法得到的键合进行了强度比较.键合强度测试结果表明:常温下氧等离子体表面改性效果略逊于真空环境中的氧等离子体表面处理,但是其键合强度达到700KPa,高于其它表面改性方法的键合强度.     

Laser additive manufacturing of aluminum-based stochastic and nonstochastic cellular materials

Cellular materials are gaining significant attention in product development due to their unique character-istics,offering superior mechanical performance and functionalities while minimizing material usage and environmental impact.This review article provides an overview of additive manufacturing(AM)technolo-gies for producing aluminum-based cellular materials,focusing on laser AM techniques including laser powder bed fusion and directed energy deposition.The article explores the classification of cellular mate-rials into stochastic foams and nonstochastic lattice structures and discusses conventional manufacturing methods and their limitations.It then examines the emergence of AM as a solution to these limitations,offering advantages such as design customization and optimization,shorter lead times,and the ability to manufacture complex architectures.The article highlights the current research status on AM of cellular materials including lattice shapes,design methods,and AM techniques.It further addresses the current status of AM of aluminum alloys,emphasizing the challenges and advances in producing aluminum-based cellular materials using AM.     

Comprehensive analysis of minimum grain size in pure aluminum using friction stir processing

A friction stir processing (FSP) technique has been developed for use with aluminum and magnesium alloys, with the goal of high-strain-rate processing. In this study, we treat the microstructures of aluminum samples, of three levels of purity, manipulating their grain sizes, making them finer, using FSP. Grain sizes decreased with an increase in the Zener-Hollomon parameter, at all purity levels. However, the recrystallized grain of FSP-ed ultra-high-purity (99.999%) aluminum was particularly large, compared to the grain sizes of lower-purity (99% and 99.99%) aluminum, when subjected to the same processing conditions. The grain size reached a certain minimum value at high-strain-rates of processing, which we report for each purity level herein.     

粘结层喷涂方法对铜基体与热障涂层结合强度的影响

为提高铜基体上热障涂层的工作温度和寿命,分别采用超音速火焰喷涂(HVOF)和等离子喷涂(APS)制备NiCrAlY粘结层,采用等离子喷涂制备ZrO2-8%Y2O3陶瓷面层.用拉伸试验测试了热障涂层的结合强度,利用SEM分析了拉伸断口的成分分布和微观形貌.研究表明,用HVOF制备粘结层的热障涂层的结合强度为47.9 MPa,用APS制备粘结层的热障涂层的结合强度为31.2 MPa.与等离子喷涂制备粘结层相比,采用超音速火焰喷涂制备粘结层可明显提高ZrO2陶瓷涂层的结合强度.