基于自动铺放工艺的预浸料丝束转向铺贴质量表征与调控

摘要

自动铺放是先进复合材料构件预成型制造的关键技术，而曲线铺放是大曲率构件预成型制造中广泛应用的一种技术手段。本文基于自主搭建的自动曲线铺放试验台，首先研究了曲线铺放中皱褶缺陷成因、几何特征及其影响，基于有效贴合长度等物理表征量建立了质量评价指标。随后探究了自动铺放工艺参数对丝束转向铺贴质量的影响规律与机理。最后对自动曲线铺放进行了有限元建模仿真，探究了丝束在转向铺贴中应力分布情况。论文的具体研究内容如下: 第一章简要介绍了复合材料自动铺放技术，重点论述了预浸料曲线铺放、预浸料丝束转向铺贴质量评价、预浸料曲线铺放建模等内容的研究现状，说明了本文的研究背景和研究意义，总结了研究内容并构建出本文的结构框架。 第二章建立了预浸料丝束转向受力的数学模型，计算推导得出了最小转弯半径以及影响曲线铺放的参数包括铺放温度、铺放速率、铺放压力、铺放张力等。使用余弦函数表征了皱褶曲率几何特征，并借助三点弯试验手段探究了皱褶大小对强度的影响。发现了铺放过程中产生的缺陷（如褶皱）会导致固化后纤维存在皱褶缺陷，进一步发现了层合板弯曲性能随皱褶的增大而下降。 第三章设计改进了预浸料自动曲线铺放试验装置，搭建了自动曲线铺放平台。建立了以有效贴合长度比、皱褶角度、曲率半径比共同描述曲线铺放质量的评价体系，较为系统地表征了丝束转向铺贴铺放质量。完成了不同工艺参数下的曲线铺放试验，结果表明:铺放质量总体随温度上升先上升后下降、随速率增加而下降、随张力增加先增加后下降、随压力增加先增加后下降。补充设计完成了曲线铺放正交试验，发现温度、速率、张力对丝束转向铺贴质量影响水平最为显著。 第四章设计完成了预浸料90°剥离试验，通过与第三章试验结果对比表明，曲线铺放的有效贴合长度比、皱褶角度与预浸料粘性正相关，曲率半径比与刚度负相关。基于试验获取了适宜的工艺参数区间。研究了压辊与预浸料表面摩擦系数以及异型压辊对铺放质量的影响，发现了适度提升摩擦系数以及采用椭圆型压辊有利于提升转向铺贴质量并抑制皱褶缺陷的产生。 第五章建立了预浸料动态曲线铺放有限元模型，模型中预浸料与模具之间的粘结关系采用内聚力模型(Cohesive Zone Model，CZM)表征，其参数通过探针试验获取。浸料材料参数通过拉伸、偏轴拉伸、压缩试验获取。该模型仿真结果表明，预浸料在曲线铺放中外侧受拉应力，内侧受压应力，起始端及皱褶处应力较为集中，与不同温度下的曲线铺放试验进行对比，吻合程度良好。 第六章总体地归纳了本文的研究内容与创新点，阐述了论文各章节研究成果，针对现有研究的不足做出了展望，提出了需要进一步研究的内容。 上述研究结果为预浸料自动铺放中丝束转向铺贴质量的调控提供了理论依据，为通过工艺参数改善转向铺贴质量提供了数据支持，对提升丝束转向铺贴质量有一定的工程意义。

目录

声明

致谢

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2课题研究现状

1．2．1预浸料曲线铺放研究现状

1．2．2丝束转向铺贴缺陷及其质量评价研究现状

1．2．3预浸料铺放建模研究现状

1．3研究思路和研究意义

1．3．1研究思路

1．3．2研究意义

1．4研究内容与组织框架

1．4．1研究内容

1．4．2组织框架

1．5本章小结

第2章曲线铺放中皱褶产生机理及其影响

2．1引言

2．2曲线铺放中皱褶缺陷理论分析

2．2．1曲线铺放中皱褶成因

2．2．2曲线铺放中弯曲模型

2．3曲线铺放中皱褶缺陷对强度影响

2．3．1皱褶的表征

2．3．2三点弯试验

2．3．3皱褶角度大小对强度影响

2．4本章小结

第3章铺放工艺参数对曲线铺放质量的影响规律

3．1引言

3．2预浸料曲线铺放试验

3．2．1曲线铺放工艺参数

3．2．2曲线铺放实验台设计

3．2．3试验材料与条件

3．3预浸料曲线铺放质量的描述

3．3．1铺放质量表征量

3．3．2铺放质量表征量测量工具

3．3．3试验方法

3．4铺放工艺参数对预浸料曲线铺放质量的影响

3．4．1铺放温度对曲线铺放质量影响

3．4．2铺放压力对曲线铺放质量影响

3．4．3铺放张力对曲线铺放质量影响

3．4．4铺放速率对曲线铺放质量影响

3．5正交实验

3．6本章小结

第4章曲线铺放中工艺参数影响机理及其调控

4．1引言

4．2剥离试验

4．2．1试验方法及试验装置

4．2．2试验结果

4．3工艺参数影响曲线铺放质量机理及其调控

4．3．1温度影响曲线铺放质量的机理与调控

4．3．2速率影响曲线铺放质量的机理与调控

4．3．3张力影响曲线铺放质量的机理与调控

4．3．4压力影响曲线铺放质量的机理与调控

4．4工艺装备的调控

4．4．1压辊与丝束摩擦系数对曲线铺放质量的影响

4．4．2压辊形状对曲线铺放质量的影响

4．5本章小结

第5章预浸料曲线铺放建模与仿真

5．1引言

5．2动态曲线铺放模型建立

5．3模型参数获取

5．3．1探针试验

5．3．2纯拉伸试验

5．3．3偏轴拉伸试验

5．3．4压缩试验

5．4曲线铺放仿真结果

5．5本章小结

第6章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献