【摘要】：Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是將Z-pin植入到未固化的層合構(gòu)件中,被植入層合板的Z-pin通過機(jī)械和化學(xué)作用把鋪層牢牢的結(jié)合在一起,完成植入后固化形成三維增強(qiáng)結(jié)構(gòu),從而簡單有效的提高復(fù)合材料層合板層沖擊損傷容限和結(jié)合強(qiáng)度等力學(xué)性能。而預(yù)植入工藝承擔(dān)著控制包括植入密度、植入深度等在內(nèi)的植入規(guī)格的作用,是制備Z-pin的UAZ工藝中不可或缺的一環(huán)。對國內(nèi)現(xiàn)有的預(yù)植入機(jī)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)“先植入,后剪切”的植入方式,由膠輥提供的摩擦力一方面需要提供送絲的動力,另一方面還需克服Z-pin與預(yù)植入體的阻力完成植入,這不僅導(dǎo)致Z-pin易折斷,還易出現(xiàn)膠輥與Z-pin之間打滑造成植入深度以及植入長度不精確等問題。為了解決上述問題,并推動Z-pin增強(qiáng)技術(shù)高效地在民用和國防事業(yè)的應(yīng)用,本文以實(shí)現(xiàn)Z-pin的高效高精度自動化預(yù)植入為目標(biāo),主要完成了以下幾個工作:(1)依據(jù)矩形類復(fù)合材料層合構(gòu)件的預(yù)植入工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),分析預(yù)植入機(jī)的功能需求,并提出“先剪切,后植入”式組合凸輪Z-pin預(yù)植入機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案,完成各功能裝置的設(shè)計(jì)。(2)采用解析法完成作為Z-pin預(yù)植入機(jī)核心驅(qū)動機(jī)構(gòu)的組合凸輪的設(shè)計(jì):選擇適合工況的從動件運(yùn)動規(guī)律,結(jié)合組合凸輪運(yùn)動分配圖計(jì)算凸輪機(jī)構(gòu)的理論輪廓曲線,通過輪廓曲面參數(shù)來控制實(shí)現(xiàn)植入工藝動作的從動件運(yùn)動狀況;完成配套零件的設(shè)計(jì)。(3)建立組合凸輪機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型,推導(dǎo)出從動件輸出端的實(shí)際運(yùn)動規(guī)律,求得組合凸輪的最佳轉(zhuǎn)速,并以最優(yōu)轉(zhuǎn)速進(jìn)行組合凸輪機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈戏抡?分析仿真結(jié)果以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性。(4)分析Z-pin預(yù)植入工藝流程,結(jié)合各功能裝置提出控制策略,完成Z-pin預(yù)植入機(jī)控制系統(tǒng)的搭建。制備原理樣機(jī)并開展植入實(shí)驗(yàn),發(fā)掘當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的不足之處,分析原因并提出方案進(jìn)行改進(jìn)。最終植入實(shí)驗(yàn)表明所搭建的Z-pin預(yù)植入機(jī)能夠滿足工藝要求,機(jī)構(gòu)操作方便,長時間工作平穩(wěn),無Z-pin折斷等問題出現(xiàn),植入效率大幅提高,植入成功率在99%以內(nèi),植入精度(包括植入間距、植入深度、纖維長度等)在±0.01mm以內(nèi)。
【圖文】：

高模量的復(fù)合材料（例如碳纖維、玻璃纖維等）或者金屬細(xì)長桿（例如鋁合金、逡逑鈦合金、不銹鋼等）按０．５％？４．０％的植入體積分?jǐn)?shù)植入到未固化的預(yù)浸料預(yù)制件逡逑中［９］，被植入層合板的Ｚ－ｐｉｎ邋（如圖１－１邋（ｂ））通過機(jī)械（潤濕性、熱膨脹匹配等）逡逑以及化學(xué)（溶解與潤濕結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合等）的雙重作用，將層合板各個子層牢牢逡逑固結(jié)在一起，固化形成三維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而提升了各個層合板之間結(jié)合力，達(dá)到逡逑了提高了復(fù)合材料層合板層間幵性、提升了其沖擊損傷容限以及降低了分層可能逡逑性的目的。英國克蘭菲爾德大學(xué)開展了邋Ｚ－ｐｉｎ對層合板增強(qiáng)效果的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，，逡逑Ｃａｒｔｉｅ邋Ｄ邋ＤＲ［１０］等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示層合板中Ｚ－ｐｉｎ的體積分?jǐn)?shù)每提升０．５％，其Ｉ型逡逑和ＩＩ型層間斷裂韌性均提升為原有的兩倍，Ｚｈａｎｇ邋Ｘ［ｕ］等試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示植入２％逡逑體積分?jǐn)?shù)的Ｚ－ｐｉｎ能有效降低層合板的沖擊損傷面積至原有面積的３６％？８１％，逡逑以此為例不難看出Ｚ－ｐｉｎ增強(qiáng)技術(shù)是一種具有良好增強(qiáng)效果的層間增初增強(qiáng)技術(shù)。逡逑咽＿逡逑（ａ）邋Ｚ－ｐｉｎ邋—般尺寸邐（ｂ）植入層合板內(nèi)的Ｚ－ｐｉｎ逡逑圖邋１－１邋Ｚ－ｐｉｎ逡逑如圖１－２所示，目前Ｚ－ｐｉｎ己成功代替鈦合金螺栓作為緊固件應(yīng)用在逡逑Ｆ／Ａ－１８Ｅ／Ｆ大黃蜂戰(zhàn)機(jī)的進(jìn)氣道及發(fā)動機(jī)的艙門上

５＾邋＾邋：逡逑Ｂｍ逡逑（ｂ）美國Ａｚｔｅｘ公司六軸龍門式植入機(jī)逡逑圖１－３國外Ｚ－ｐｉｎ自動植入設(shè)備逡逑目前我國對Ｚ－ｐｉｎ增強(qiáng)技術(shù)相關(guān)工藝設(shè)備的應(yīng)用研究還處于起步階段，國內(nèi)逡逑只有少數(shù)單位在進(jìn)行成型工藝開發(fā)。西北工業(yè)大學(xué)的黃濤和矯桂瓊等［１９］和北京逡逑航空航天大學(xué)的郝繼軍［２（＾２１］、張蕾和張佐光等［２２］使用各自實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的具有導(dǎo)逡逑向及鉆孔功能裝置，完成了碳纖維類Ｚ－ｐｉｎ在泡沫上的植入。兩者均未實(shí)現(xiàn)Ｚ－ｐｉｎ逡逑植入的自動化。南京航空航天大學(xué)自動化研發(fā)中心首先對Ｚ－ｐｉｎ過渡植入機(jī)的自逡逑動化進(jìn)行了研發(fā)［２３＿２４］，如圖１－４所示。該套設(shè)備僅達(dá)成了半自動化［２５］，植入過程逡逑中還得耗費(fèi)許多人工，植入效率仍處于較低水平，無法完全滿足工程應(yīng)用以及科逡逑學(xué)研究的需要。逡逑圖１－４\京航空航天大學(xué)數(shù)控過渡植入機(jī)逡逑后又針對圓柱圓錐類零件（如導(dǎo)彈彈頭、彈體材料）的ｚ－ｐｉｎ植入，開發(fā)了逡逑一套Ｚ－ｐｉｎ過渡植入平臺［２６＿２７］，如圖１－５所示。該Ｚ－ｐｉｎ過度植入平臺僅供制備逡逑寬度為８０ｍｍ的窄長條泡lぶ踩胩�，峨s諂槳謇喙辜枰捎枚嗵踉ぶ踩胩迤村義轄�。以Ｚ－７w椋鈧踩爰渚啵常恚恚常恚砦

本文編號：2659768