【摘要】：熱塑性復(fù)合材料纖維具有良好的焊接性、抗沖擊韌性、可循環(huán)性、抗化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點,具有廣闊的應(yīng)用前景,其與原位固化技術(shù)相結(jié)合,可顯著提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,并且可以提高復(fù)合材料鋪放構(gòu)件的質(zhì)量。目前熱塑性纖維鋪放成型技術(shù)已經(jīng)開始用于各種航空航天器件中,并逐漸進入其它相關(guān)制造領(lǐng)域。運用自動鋪放技術(shù)的熱塑性纖維原位固化成型有望成為未來大飛機主承力部件的重要成型方法。本文以熱塑性纖維鋪放成型為研究背景,主要針對熱塑性纖維鋪放過程中涉及到的熱傳遞行為、鋪放構(gòu)件層間性能、變角度軌跡規(guī)劃及變角度層合板力學(xué)特性等問題進行了相關(guān)研究。在不同的工藝參數(shù)作用下,熱塑性纖維內(nèi)部的溫度場變化十分復(fù)雜,且直接影響樹脂結(jié)晶質(zhì)量。因此,需要對鋪層內(nèi)的溫度場進行研究。以熱塑性纖維(AS4/PEEK,熔點溫度343℃)鋪放過程中熱傳遞為研究對象,基于傳熱學(xué)理論,建立了熱塑性纖維鋪放瞬態(tài)二維熱傳遞數(shù)學(xué)模型,確定了熱傳遞模型的相關(guān)邊界條件。由于模具初始溫度影響鋪放過程中的熱傳遞效率,分析了首層鋪放過程中鋪放工藝參數(shù)及模具初始溫度對首層鋪層內(nèi)溫度場的影響規(guī)律,獲得了鋪層在鋪放過程中的溫度場變化規(guī)律,得到了加熱溫度、鋪放速度、鋪層數(shù)量與鋪層內(nèi)溫度場之間的關(guān)系,獲得了加熱溫度的合理范圍。通過搭建熱塑性纖維鋪放平臺對鋪層間溫度場進行了相關(guān)檢測,驗證了二維熱傳遞模型的正確性。熱塑性纖維鋪放采用的是原位固化工藝技術(shù),鋪放成型后熱塑性纖維鋪放構(gòu)件層間性能直接影響構(gòu)件的力學(xué)性能。以緊密接觸度、熔合度、熔合強度為研究對象,建立了表征層間性能的理論模型,獲得了鋪放工藝參數(shù)對層間性能的影響規(guī)律;根據(jù)均勻試驗法原理設(shè)計并進行了鋪放試驗與層間性能測試,得到了各組試件層間剪切強度和孔隙率的數(shù)據(jù)。通過SEM對構(gòu)件的斷面層間進行觀測,獲得了纖維與樹脂之間的熔合程度及破壞裂紋形貌。分析了鋪放工藝參數(shù)對鋪放構(gòu)件的層間剪切強度和孔隙率的影響規(guī)律,同時以熱塑性纖維鋪放構(gòu)件的剪切強度和孔隙率為目標(biāo),得到了最佳的鋪放工藝參數(shù)及相應(yīng)的剪切強度和孔隙率。鋪放軌跡規(guī)劃是制造熱塑性復(fù)合材料層合板的關(guān)鍵因素。為了拓展變角度軌跡的設(shè)計范圍,本文提出了一種基于二次Bezier曲線構(gòu)建變角度參考軌跡的方法并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過改變不同控制參數(shù)實現(xiàn)Bezier曲線分段獨立控制,使得變角度的設(shè)計自由度大大增加。根據(jù)軌跡上任意點鋪放角度的計算方法及相應(yīng)曲率的計算公式,研究了變角度軌跡的變化形式、任意點纖維鋪放角度及曲率值隨著連接點參數(shù)β變化的規(guī)律,討論了纖維鋪放角度的變化形式。同時將二次Bezier曲線法與傳統(tǒng)線性變角度法進行了對比分析,分別對兩種變角度算法的可行性進行了分析,討論了曲率變化對兩種變角度軌跡的影響,確定了變角度鋪層的構(gòu)建形式,探究了絲束有效寬度與重疊隨著連接點參數(shù)β的變化規(guī)律。此外,進行了二次Bezier曲線變角度軌跡鋪放實驗,驗證了Bezier曲線法變角度軌跡規(guī)劃的正確性。通過改變鋪放軌跡中的鋪放角度可以控制和調(diào)整纖維方向進而改變平面內(nèi)的載荷分布,改變層合板內(nèi)的應(yīng)力和固有頻率,最終獲得理想的層合板力學(xué)性能。為了得到最佳的變角度層合板力學(xué)特性,本文以二次Bezier曲線定義纖維鋪放參考路徑來構(gòu)建變角度層合板的有限元分析模型。分別對變角度層合板的應(yīng)力、變形、屈曲特性及模態(tài)三方面進行了分析,研究了在壓縮載荷作用下不同連接點參數(shù)β對變角度層合板面內(nèi)的應(yīng)力和變形的影響規(guī)律。以一階屈曲載荷作為研究對象,探究了在均布力的作用下不同連接點參數(shù)β對變角度層合板一階屈曲載荷性能的影響規(guī)律,分析了不同占比的初始幾何缺陷對變角度層合板屈曲載荷的影響。研究了不同連接點參數(shù)β對變角度層合板固有頻率的影響及變化規(guī)律。同時以一階屈曲載荷和一階頻率為目標(biāo),獲得了最佳的連接點參數(shù)β及對應(yīng)的變角度層合板。
【圖文】：

[6]。圖1-1所示為復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用實例。目前，我國在飛機制造中纖維增強型復(fù)合材料的使用量較少，即使是我國最新自主研發(fā)的大型客機C919，復(fù)合材料在機體結(jié)構(gòu)中的使用率也僅為12%[7]。為了提升飛機的綜合性能和應(yīng)對節(jié)節(jié)攀升的燃油價格，中國商飛表示，下一個型號的國產(chǎn)大飛機會大幅增加復(fù)合材料的應(yīng)用比例，計劃可達到51%[8]。復(fù)合材料的特點和自動鋪放技術(shù)的優(yōu)勢也在其它領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如汽車制造行業(yè)、風(fēng)電能源、新型建筑材料等[9, 10]。圖 1-1 復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用實例Fig.1-1 Application example

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文目前，用于制造高性能飛機構(gòu)件的材料主要是碳纖維增強型樹脂基復(fù)合材料，占50%以上，圖1-2所示為B787和A350型飛機的材料組成[11]。自動纖維鋪放成型技術(shù)已經(jīng)在飛機上進氣道整流罩、發(fā)動機艙門、尾梁蒙皮、風(fēng)扇葉片等零部件得到了應(yīng)用[12]。據(jù)預(yù)測，未來商用飛機復(fù)合材料構(gòu)件用量所占重量比將達70%-80%[13]。纖維自動鋪放應(yīng)用的材料主要為樹脂基纖維復(fù)合材料，根據(jù)其樹脂基體材料的不同，可分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料。前者作為一種高強輕質(zhì)材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、交通運輸?shù)雀鞣N領(lǐng)域，在成型過程中 熱壓罐固化 技術(shù)受加工場地及構(gòu)件大小的限制，并存在能耗高、成型時間長等缺點，制約了熱固性復(fù)合材料的應(yīng)用。相比于熱固性復(fù)合材料，，熱塑性復(fù)合材料的固化條件要求較低，同樣具有良好的焊接性、抗沖擊韌性、可循環(huán)性、抗化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景，上世紀(jì)80年代就得到研究人員的重視，近些年來各國研究學(xué)者對其進行了廣泛研究。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V261;TB33

【參考文獻】

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1 杜宇;楊濤;牛雪娟;;含孔復(fù)合材料層合板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其屈曲性能的影響[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2015年11期

2 文立偉;肖軍;王顯峰;齊俊偉;王躍全;李勇;還大軍;;中國復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)研究進展[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報;2015年05期

3 楊濤;申艷嬌;楊素君;李志猛;牛雪娟;;預(yù)浸帶鋪放過程溫度場動態(tài)仿真與實驗研究[J];固體火箭技術(shù);2015年03期

4 牛雪娟;楊濤;杜宇;;基于流場函數(shù)的變剛度層合板鋪放設(shè)計[J];固體火箭技術(shù);2014年06期

5 牛雪娟;楊濤;杜宇;戴維蓉;;變剛度纖維曲線鋪放復(fù)合材料層合板的有限元建模和拉伸特性分析[J];宇航材料工藝;2014年04期

6 楊竣博;宋筆鋒;鐘小平;;絲束變角度層合板屈曲性能的有限元分析[J];復(fù)合材料學(xué)報;2014年04期

7 張小輝;段玉崗;葛衍明;李滌塵;;整體式風(fēng)電葉片紫外光原位固化纖維鋪放制造技術(shù)[J];機械工程學(xué)報;2014年11期

8 戴維蓉;楊濤;王天琪;李亮玉;牛雪娟;;基于自由曲面構(gòu)件的纖維變剛度鋪放路徑規(guī)劃[J];固體火箭技術(shù);2014年02期

9 李sセ

本文編號：2603953