立体织物整体穿刺钢针针尖形态及穿刺长度优化研究

摘要

整体穿刺立体织物是一种结构特殊的碳纤维立体织物，具有良好的整体结构和较高的纤维体积含量，是制作高性能防热隔热炭/炭复合材料的优良基材。目前，该织物广泛的应用于航空航天等高新技术领域。我国整体穿刺技术已取得重大的技术突破，但在整体穿刺过程中，存在整体穿刺钢针针尖与整体穿刺模板接触损伤整体穿刺钢针针尖，整体穿刺钢针针杆出现强度破坏的问题，为提高穿刺钢针使用寿命有必要进行整体穿刺钢针针尖形态优化研究。 本文在对国内外碳纤维立体织物成型装备及整体穿刺钢针针尖形态优化研究现状进行分析的基础上，开展整体穿刺钢针针尖形态优化研究，主要研究内容如下: 对整体穿刺的工艺过程及正交叠层机织碳布在各个穿刺阶段纤维的运动模式、力学行为进行分析，依据纱线和整体穿刺钢针相互运动之间的几何关系，建立纱线张力在各个穿刺阶段的力学模型。 针对整体穿刺钢针在纱线张力作用下处于压缩和弯曲的组合变形的受力状态，为满足整体穿刺钢针的强度要求，建立整体穿刺钢针的许用应力和整体穿刺钢针针尖曲线次数函数关系，依据该函数优化出整体穿刺钢针针尖的形态。使用叠加法分别钢化整体穿刺钢针的针尖和针杆，求取整体穿刺钢针针尖在顶点处的位移。使用图乘法求取出整体穿刺钢针针尖在顶点处的位移。为避免整体穿刺钢针针尖与穿刺模板接触，建立穿刺钢针针尖的曲线次数和总位移限制条件的函数关系，依据该函数优化出整体穿刺钢针针尖的形态。 使用机器视觉选择合理的算法，识别整体穿刺钢针针尖的位移参数，使用双边滤波去除图像采集过程中的噪声。利用机器视觉提供的位移参数，作为机器学习的训练样本。通过对六种算法进行评分预测，选择出预测模型来实现对整体穿刺长度的预测，使用网格搜索方法对算法加以优化。 考虑整体穿刺钢针针尖磨削加工实际及降低穿刺钢针加工成本，进一步优化整体穿刺钢针针尖形态。依据优化后的钢针针尖模型进行整体穿刺钢针试制加工，并进行正交叠层机织碳布整体穿刺实验。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题来源

1．2课题研究的目的及意义

1．3整体穿刺工艺过程分析

1．3．1立体织物整体穿刺工艺分析

1．3．2整体穿刺工艺阶段划分

1．4国内外研究现状

1．4．1国外研究现状

1．4．2国内研究现状

1．5研究内容与章节安排

第二章碳布整体穿刺工艺的纱线张力模型

2．1穿刺钢针针尖顶压碳布

2．1．1针尖顶压碳布模式

2．1．2顶压阶段纱线的分布

2．1．3顶压引起的弯曲伸长

2．2纤维的绕针弯曲

2．2．1纤维的绕针弯曲在平面上的分布

2．2．1纤维绕针弯曲的模式

2．2．3纤维的绕针弯曲伸长

2．2．4仿真分析

2．3纱线压至针杆段

2．4本章小结

第三章纱线绕针弯曲阶段穿刺钢针针尖形态优化

3．1穿刺钢针针尖形态及相关参数

3．1．1穿刺钢针针尖形态

3．1．2穿刺钢针对Y轴的极惯性矩

3．2纱线张力分解

3．3叠加法穿刺钢针位移计算

3．3．1穿刺钢针的破坏

3．3．2叠加法计算位移

3．3．3叠加法算例分析

3．4图乘法穿刺钢针位移计算

3．4．1图乘法算位移

3．4．2图乘法算例分析

3．5穿刺钢针危险截面强度校核

3．5．1穿刺钢针应力分析

3．5．2危险点算例分析

3．6本章小结

第四章基于图像识别的穿刺钢针针尖定位

4．1整体穿刺钢针弯曲应力及位移计算

4．2整体穿刺钢针针尖的位移检测

4．2．1整体穿刺针尖位移检测分析

4．2．2图像平滑

4．2．3 Otsu's方法的最佳全局阈值处理

4．3整体穿刺钢针针尖测量模型

4．3．1摄像机线性成像模型

4．3．2摄像机非线性成像模型

4．4本章小结

第五章基于支持向量机的穿刺长度预测

5．1整体穿刺钢针长度预测模型

5．1．1整体穿刺长度预测分析

5．1．2基于机器学习各参数之间建模

5．2整体穿刺长度预测模型训练

5．2．1穿刺钢针穿刺长度预测流程

5．2．2针尖位移样本数据

5．2．3针尖位移样本数据特征转换

5．3选择模型

5．3．1模型选择的评估方法

5．3．2模型评估准则

5．4最佳穿刺长度预测模型优化

5．5本章小结

第六章实验研究

6．1正交叠层机织碳布整体穿刺实验

6．2穿刺钢针针尖位移检测实验及结果分析

6．3穿刺长度预测模型实验

6．4本章小结

第七章总结与展望

7．1总结

7．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢