针对半豆荚杆的先进拉挤系统优化与关键技术研究

摘要

复合材料豆荚杆属于一种超长的薄壁管状空间伸展臂结构，在航天领域具有广泛的应用前景，是近期的一个研究热点。然而，超长的特性使得传统工艺并不适用于复合材料豆荚杆的制备。先进拉挤（Advanced Pultrusion，简称ADP）技术是一种高效低成本的自动化连续成型方法，制品长度不受限制。将ADP技术应用于半豆荚杆的制备，可以得到超长半豆荚杆制件。本文以航天复合材料半豆荚杆自动化成型为背景，进行了针对现有半豆荚杆先进拉挤系统的优化设计，并对半豆荚杆的先进拉挤成型压力均匀性、固化工艺等关键技术进行研究。
　　（1）进行ADP机械系统相关的优化设计工作：包括建立半豆荚杆预成型变形准则，分为三步完成预成型曲面构型，确定采用型面滑动变形方式实现预成型；设计预处理装置，确定预处理模具长度、执行元件的选型、加热方案以及软模/硬模组合的加压方式；提出牵引张紧装置设计方案，并在此基础上改进设计了牵引修边装置。完成了相关动作控制系统的方案设计：明确ADP系统各装置动作时序，并编写了PLC控制程序，创建了触摸屏界面。
　　（2）采用有限元方法分析了不同形状与厚度的硅橡胶均压层对半豆荚杆先进拉挤成型时接触压力分布的影响，并以离散系数评价压力分布均匀性的优劣。结果表明：在成型压力为1MPa，温度为156℃（本文所用预浸料树脂体系的反应峰值温度）的条件下，①对于采用等距面硅橡胶的热压模具，随着垂向厚度的增加，型面上接触压力分布的均匀性先提高后降低；②对于采用平移面硅橡胶的热压模具，随着竖向厚度的增加，型面上接触压力分布的均匀性先提高后降低；③采用竖向厚度为9mm的平移面硅橡胶，模具型面上的接触压力分布最均匀，压力分布的离散系数最小，为0.79％。
　　（3）通过有限元软件ABAQUS分别模拟研究了硅橡胶材料体系、成型温度、成型压力对半豆荚杆ADP成型压力均匀性的影响，为后期ADP相关成型工艺的制定提供参考。结果表明：在其他因素不变的情况下，①硅橡胶的均压作用随其硬度降低而升高；②随着温度的增加，成型压力的均匀性先提高后降低；③随着施加压力的增大，型面上接触压力的均匀性随之提高。
　　（4）通过DSC实验得出预浸料树脂体系的相关固化工艺参数，并确定了所用预浸料的ADP热工艺为125℃预处理7.8min，156℃热压30min，176℃后固化36min三个温度平台和加热时间。完成了半豆荚杆的试制，并根据技术指标的要求进行制件的相关检测，结果表明：制件的固化度、树脂含量（质量）、卷曲半径与表面质量均满足技术指标要求。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 复合材料在航天领域的应用

1.2 豆荚杆概述

1.3 先进拉挤工艺

1.4 课题研究意义及内容

第二章 半豆荚杆先进拉挤系统优化

2.1 预成型装置

2.2 预处理装置

2.3 牵引修边装置

2.4 系统平台

2.5 拉挤系统动作控制方案

2.6 本章小结

第三章 先进拉挤成型压力研究

3.1 热压模具有限元模型

3.2 有限元分析结果

3.3 本章小结

第四章 其他因素对成型压力分布影响研究

4.1 不同材料体系硅橡胶的影响

4.2 不同温度的影响

4.3 不同压力的影响

4.4 本章小结

第五章 基于ADP技术的半豆荚杆制备

5.1 固化制度的确定

5.2 半豆荚杆的制备

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后期工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文