异型构件预制体机器人三维针刺成形轨迹规划与针刺模拟

摘要

三维针刺技术是纺织结构复合材料的一种低成本的增强织物制备技术，具有成形工艺简单，自动化程度高，成本低等优点，采用该技术制备的三维针刺复合材料克服了传统复合材料层合板层间性能差、冲击韧性低和损伤容限低的缺点，同时又兼具三维编织复合材料层间强度刚度高的优点，得到了越来越广泛的应用，目前三维针刺复合材料已经应用于火箭发动机扩张段、延伸锥、燃烧室喉衬、刹车盘等结构部件。
　　本论文以飞行器天线罩材料的低成本、轻量化、高性能制造为研究背景，提出三维针刺成形技术制备飞行器天线罩增强织物的新方法，紧扣“工艺-装备”一体化的设计主线，开展了异型构件预制体机器人三维针刺轨迹规划和针刺成形模拟研究。
　　针对异型曲面预制体的三维针刺自动化织造关键技术需求，构建了多针刺头直角坐标针刺机器人和6关节针刺机器人针刺成形系统，完成了机械系统和控制系统的集成设计，并开展了相关的实验验证，证明了系统的可行性。基于实验结果对比分析，提出变角度单针刺头直角坐标针刺机器人方案，进一步优化了针刺机器人的构型设计，并实现了变锥度回转预制体制备的参数化编程。
　　研究了面向复杂多曲率自由曲面预制体针刺成形的机器人轨迹规划方法，主要研究内容包括:基于CATIA的针刺点和辅助点的生成方法、基于Python的旋转矩阵的计算、基于Python的欧拉角的计算、机器人可执行程序的高效生成、基于K-ROSET的机器人离线仿真模拟，以及最后通过实验验证了路径规划方法的正确性。
　　提出了准直线纤维和大弯曲纤维的纤维模型，在此基础上构建纤维的自由生长算法，并提出基于“分层自由生长/一次沉积”方法来重建大长径比非重叠梳理纤维毡的结构，生成了均质和多材质混杂的纤维毡模型，与实验统计结果进行对比，证明了算法的可行性，沉积重构的短切纤维毡数字模型将为后续的针刺成形模拟提供数字模型基础。
　　开展了三维针刺工艺与织物厚度、体积密度变化规律的实验研究，基于针刺阻力的实验测试和数值模拟对比研究，优化数值模型的摩擦系数设置，并基于优化的参数和三维重构的梳理纤维毡开展针刺毡的成形模拟研究，与厚度实验结果进行对比，验证了针刺成形数值模拟的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 三维针剌装备国内外研究现状

1．2．2 三维针刺增强织物及纤维毡三维重构国内外研究现状

1．2．3 三维针刺复合材料研究进展

1．3 当前研究存在的不足

1．4 本论文的研究内容

第二章 针刺机器人的系统集成与实验验证

2．1 引言

2．2 多针刺头直角坐标针刺机器人系统集成

2．2．1 多针刺头直角坐标针剌机器人机械结构设计

2．2．2 多针刺头直角坐标针刺机器人自动控制系统设计

2．2．3 多针刺头直角坐标针刺机器人系统可行性实验验证

2．3 关节针刺机器人系统集成

2．3．1 关节针剌机器人机械结构设计

2．3．2 关节针剌机器人自动控制系统设计

2．3．3 关节机器人针剌系统可行性实验验证

2．4 变角度单针刺头针刺机器人优化设计

2．5 本章小结

第三章 针刺机器人的轨迹规划与实验验证

3．1 引言

3．2 基于CATIA的针刺点和辅助点的生成方法

3．2．1 软件环境

3．2．1 针剌点和辅助点生成方法

3．3 基于Python的旋转矩阵的计算

3．4 基于Python的欧拉角计算

3．5 针刺机器人可执行程序批量高效生成

3．6 实验验证

3．6．1 预制体构件与针刺工艺

3．6．2 生成针剌点和辅助点

3．6．3 计算旋转矩阵和欧拉角OAT

3．6．4 生成针刺机器人可执行程序

3．6．5 针刺机器人离线仿真与路径优化

3．6．6 针剌机器人轨迹规划测试验证

3．7 本章小结

第四章 梳理纤维毡的三维重构方法

4．1 三维重构的语言环境

4．1．1 Python语言

4．1．2 ABAQUS软件

4．2 梳理纤维毡统计分析

4．2．1 材料和实验

4．2．2 统计结果分析

4．3 纤维模型

4．4 纤维空间位置重构

4．5 纤维毡材料属性匹配和网格划分

4．6 纤维毡分层自由生长方法、材料属性匹配和网格划分的验证

4．7 纤维毡一次性沉积成形

4．7．1 有限元模型

4．7．2 边界条件和约束

4．7．3 接触属性

4．7．4 计算结果

4．8 等效纤维直径和长径比对梳理纤维毡重构的影响

4．9 纤维几何尺寸和压板压缩的影响

4．10 准直线纤维线段长度Ln的影响及代表体积单元的生成

4．11 本章小结

第五章 纤维毡针刺成形实验研究与数值模拟

5．1 引言

5．2 纤维毡针剌成形实验研究

5．2．1 实验内容与针刺工艺

5．2．2 实验仪器与针刺程序设计

5．2．3 样品制备与厚度、体积密度测试

5．3 针刺力测试实验平台构建

5．3．1 目的与原理

5．3．2 软硬件配置

5．4 网胎针刺过程针剌力测试与分析

5．5 针刺有限元模型建立与针刺阻力数值预报

5．5．1 有限元模型

5．5．2 边界条件和约束

5．5．3 接触属性

5．5．4 计算结果

5．6 纤维毡的针刺成形数值模拟

5．6．1 有限元模型

5．6．2 边界条件和约束

5．6．3 接触属性

5．6．4 计算结果

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

附录

致谢