復(fù)合材料作為一種先進的工程材料,以其比強度和比剛度高,抗疲勞性能、耐腐蝕及性能可設(shè)計等諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶艦艇、汽車風電、能源化工等領(lǐng)域的主體結(jié)構(gòu)和主承力結(jié)構(gòu)。由于預(yù)浸帶鋪放時材料改性與制品結(jié)構(gòu)成型是同時進行的,因此最終預(yù)浸帶鋪放制品的性能對鋪放工藝過程十分敏感,成型工藝影響著預(yù)浸帶鋪放制品的質(zhì)量。由于預(yù)浸帶鋪放工藝自身的復(fù)雜性,在鋪放過程中工藝不合理或參數(shù)匹配不當,將會導(dǎo)致制品產(chǎn)生制備缺陷和尺寸、形狀偏差,從而影響最終制品的使用壽命和服役性能。由于預(yù)浸帶鋪放成型工藝技術(shù)可大大提高生產(chǎn)效率,并且可通過精確的成型工藝控制能極大地提高鋪放制品質(zhì)量,是近年來發(fā)展最快、最有效的低成本復(fù)合材料制造的關(guān)鍵技術(shù)。迄今為止,國內(nèi)外對預(yù)浸帶鋪放技術(shù)以及制品性能進行了大量的研究,但也存在著一些問題,主要表現(xiàn)為:(1)預(yù)浸帶鋪放過程中工藝參數(shù)的控制、匹配對制品性能的影響機理尚不明確。(2)預(yù)浸帶鋪放制品缺陷的形成、分布、種類與成型工藝參數(shù)之間的關(guān)系,以及缺陷對制品性能影響機理等方面的研究欠缺。為探索上述問題,以預(yù)浸帶鋪放制品的性能取決于預(yù)浸帶結(jié)構(gòu)、組分及鋪放工藝為出發(fā)點,圍繞工藝參數(shù)(張力、速度、壓力、溫度)對預(yù)浸帶鋪放制品性能(物理性能、力學性能)以及制品缺陷的影響規(guī)律為主要研究內(nèi)容,采用理論研究、仿真分析與工藝實驗相結(jié)合的方法,對以下幾個方面的內(nèi)容進行了詳細研究。(1)預(yù)浸帶鋪放工藝技術(shù)研究:預(yù)浸帶鋪放是預(yù)浸帶發(fā)生物理狀態(tài)(幾何形狀、變形等)和化學狀態(tài)(分子結(jié)構(gòu)、交聯(lián)等)變化的復(fù)雜過程。建立預(yù)浸帶鋪放時的工藝參數(shù)模型及熱-力耦合模型,研究預(yù)浸帶在鋪放工藝參數(shù)作用下的變形規(guī)律和可鋪放性。探明預(yù)浸帶在鋪放時的物理和化學轉(zhuǎn)變機制,為實現(xiàn)基于性能的工藝調(diào)控方法奠定基礎(chǔ)。(2)預(yù)浸帶鋪放制品性能分析及微觀組織表征方法研究:首先通過對預(yù)浸帶鋪放制品的彈性性能、強度性能、熱膨脹性能及熱傳導(dǎo)性能進行理論研究,建立鋪放制品的理論預(yù)測模型。其次利用場發(fā)射電鏡(FE-SEM)對預(yù)浸帶鋪放制品的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察分析,可知制品的微觀缺陷主要有孔洞、基體裂紋、界面層剝落。進一步分析得出基體裂紋、界面層剝落產(chǎn)生于纖維與樹脂基體熱膨脹系數(shù)的不匹配,而孔洞的產(chǎn)生與鋪放工藝有關(guān)。進一步地研究工藝參數(shù)、預(yù)浸帶材料等因素與制品缺陷的關(guān)聯(lián)性,揭示缺陷的形成規(guī)律、影響因素和調(diào)控原理。為減少或避免預(yù)浸帶復(fù)合材料制品缺陷提供理論指導(dǎo)。(3)成型工藝參數(shù)對制品性能的影響研究:通過數(shù)值仿真與實驗相結(jié)合的方法,利用ABAQUS、MSC.Patran/Nastran等有限元軟件建立參數(shù)化的代表性體積單元(Representative Volume Element,RVE)的細觀模型,通過施加合理的載荷及邊界條件,對鋪放工藝參數(shù)作用下預(yù)浸帶復(fù)合材料制品的力學性能、物理性能進行研究。在研究制品缺陷對性能的影響時,在RVE模型中采用刪除網(wǎng)格的方法置入相應(yīng)的制備缺陷。采用有限元計算細觀力學方法(Finite Element Computational Micro-mechanics,FECM)預(yù)測了不含制備缺陷、含單一制備缺陷和含各類制備缺陷時制品的彈性參數(shù)和熱膨脹系數(shù)。通過建立預(yù)浸帶鋪放時的熱-力耦合模型,利用有限元仿真的方法研究了不同溫度和壓力參數(shù)條件下制品的殘余應(yīng)力。并對結(jié)果進行分析,得到各個因素對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。(4)基于性能的成型工藝參數(shù)調(diào)控方法研究:首先,提出了一種基于魯棒擴展卡爾曼濾波器(Robust Extended Kalman Filter,REKF)的模糊PID(Proportion Integration Differentiation,PID)張力控制算法�；谒罱ǖ匿伔艔埩刂葡到y(tǒng)實驗平臺對所設(shè)計算法的仿真結(jié)果進行了實驗驗證,與傳統(tǒng)模糊PID控制相比,基于REKF的模糊PID控制器具有較強的抗干擾性和魯棒性,其可將鋪放張力的控制精度提高40%~42%。其次,提出粒子群優(yōu)化的模糊PID鋪放壓力調(diào)控方法。為了增加壓力調(diào)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力,使用粒子群優(yōu)化算法對PID控制變量進行優(yōu)化,構(gòu)建了一個自適應(yīng)優(yōu)化模糊參數(shù)的PSO(Particle Swarm Optimization,PSO)模糊PID控制器作為鋪放壓力系統(tǒng)的控制算法,并對該算法進行了仿真和實驗研究。最后建立了預(yù)浸帶鋪放時溫度場的數(shù)學模型,分析了鋪放過程中溫度場的分布;利用ABQUS有限元軟件對整個鋪放過程進行建模及仿真,研究了鋪放溫度對預(yù)浸帶粘性、剛度以及鋪放效果的影響。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 論文選題背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 碳纖維復(fù)合材料
        1.2.2 預(yù)浸帶鋪放成型工藝
        1.2.3 鋪放制品性能分析
        1.2.4 成型工藝參數(shù)調(diào)控
    1.3 選題依據(jù)和研究目標
        1.3.1 論文選題依據(jù)
        1.3.2 論文研究目標
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
第二章 預(yù)浸帶鋪放成型工藝技術(shù)研究
    2.1 引言
    2.2 預(yù)浸帶鋪放工藝過程分析
        2.2.1 預(yù)浸帶鋪放模型
        2.2.2 預(yù)浸帶鋪放溫度模型
        2.2.3 預(yù)浸帶鋪放壓力模型
        2.2.4 預(yù)浸帶鋪放熱-力耦合模型
    2.3 鋪放工藝參數(shù)作用下預(yù)浸帶的變形分析
        2.3.1 壓力作用下預(yù)浸帶的變形
        2.3.2 溫度作用下預(yù)浸帶的變形
    2.4 預(yù)浸帶鋪放鋪層形成機制
    2.5 本章小結(jié)
第三章 預(yù)浸帶鋪放制品性能分析及微觀組織表征
    3.1 引言
    3.2 預(yù)浸帶鋪放制品的力學性能分析
        3.2.1 彈性性能分析
        3.2.2 強度性能分析
    3.3 物理性能分析
        3.3.1 熱膨脹性能分析
        3.3.2 熱傳導(dǎo)性能分析
    3.4 預(yù)浸帶鋪放制品微觀組織表征
        3.4.1 微觀組分特征表征
        3.4.2 微觀組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量
        3.4.3 微觀缺陷的參數(shù)統(tǒng)計
    3.5 本章小結(jié)
第四章 鋪放工藝參數(shù)對預(yù)浸帶鋪放制品性能的影響
    4.1 引言
    4.2 鋪放工藝參數(shù)對制品彈性性能的影響
        4.2.1 工藝參數(shù)作用下的彈性變形分析
        4.2.2 有限元模型及周期性邊界條件
        4.2.3 彈性性能的FECM預(yù)測及結(jié)果分析
        4.2.4 彈性性能的實驗測試及結(jié)果分析
    4.3 鋪放工藝參數(shù)對制品熱膨脹性能的影響
        4.3.1 細觀有限元法計算熱膨脹系數(shù)
        4.3.2 預(yù)浸帶細觀力學模型建立
        4.3.3工藝參數(shù)對熱膨脹性能的影響實驗
    4.4 鋪放工藝參數(shù)對制品殘余應(yīng)力的影響
        4.4.1 預(yù)浸帶鋪放制品殘余應(yīng)力的有限元分析
        4.4.2 預(yù)浸帶鋪放制品殘余應(yīng)力的影響因素分析
        4.4.3 界面層對預(yù)浸帶制品殘余應(yīng)力的影響
    4.5 本章小結(jié)
第五章 基于制品性能的鋪放工藝參數(shù)調(diào)控方法
    5.1 引言
    5.2 鋪放張力的調(diào)控
        5.2.1 鋪放張力控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
        5.2.2 精密張力控制器設(shè)計
        5.2.3 張力控制系統(tǒng)的仿真分析
        5.2.4 實驗驗證
    5.3 鋪放壓力的調(diào)控
        5.3.1 預(yù)浸帶鋪放壓力機構(gòu)分析
        5.3.2 鋪放壓力的模糊控制器設(shè)計
        5.3.3 粒子群優(yōu)化的模糊PID控制器
        5.3.4 控制算法仿真
        5.3.5 實驗驗證
    5.4 鋪放溫度的調(diào)控
        5.4.1 鋪放溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
        5.4.2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
        5.4.3 仿真分析
        5.4.4 實驗驗證
    5.5 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 本文工作總結(jié)
    6.2 創(chuàng)新點與貢獻
    6.3 未來工作展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文和參加科研情況

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本文編號：2857183