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带缠绕工艺参数耦合对制品性能影响机制研究

【摘要】:先进树脂基复合材料由于具有高比强度和比刚度,可设计性强,抗疲劳,耐腐蚀性能好等独特优点,已在航空航天领域得到了大量应用。随着复合材料结构件用量的增加,人们对其性能的关注也日益提高。然而,复合材料结构件的性能不仅取决于材料自身性能,更重要的取决于成型工艺方法和成型工艺过程中工艺参数的选取及控制精度。不合理的成型工艺方法和工艺参数选取会导致复合材料结构件性能恶化,影响复合材料结构件的服役性能,严重时造成零件报废。因此,控制复合材料结构件的成型工艺过程及成型工艺中的工艺参数是保证制品性能的关键。复合材料带缠绕成型工艺是复合材料结构件的主要成型工艺之一。在复合材料带缠绕成型工艺过程中,多工艺参数相互耦合共同决定了制品的质量。论文从带缠绕成型工艺原理入手,以工艺参数对制品性能影响为研究对象,采用机理建模、数值仿真、成型工艺实验和制品性能测试相结合的方法,对缠绕成型工艺过程建模、工艺参数敏感度分析、稳定域划分、工艺参数对制品性能影响规律、工艺参数耦合作用机制以及工艺参数区间优选等内容进行研究,从而掌握带缠绕成型结构件性能的预测、控制原理和方法,提高缠绕制品的质量。论文研究内容主要包括以下几点。首先,对带缠绕成型工艺过程进行分析,得到了影响成型过程的关键成型工艺参数,包括热辊温度、缠绕张力、压辊压力和缠绕速度。设计了基于DCS原理的工艺参数精确控制系统,实现了对主要工艺参数的精确控制和集中管理。并将复合材料性能基础理论和带缠绕工艺的特点相结合,对缠绕制品的主要表征参数进行分析,确定了对缠绕过程敏感的表征参数即层间结合强度和孔隙率作为带缠绕成型质量控制目标。其次,建立了带缠绕成型工艺理论数学模型和多参数耦合经验模型。针对带缠绕成型工艺过程,从预浸编织胶带微观形貌特征入手,建立了面向层间结合强度和孔隙率的理论数学模型。并以碳纤维环氧树脂T300/Y69正交编织预浸胶带为例,利用缠绕实验以及层间剪切强度和孔隙率性能测试数据,建立了多工艺参数耦合经验模型。在此基础上,针对多目标优化问题提出了两种适合带缠绕制品的多目标优化方法:统一目标法和主要目标法,并分别采用两种优化方法对缠绕成型工艺参数进行优化并将优化结果进行了对比。第三,提出了缠绕工艺参数敏感度分析方法及稳定域划分方法。基于带缠绕成型工艺过程经验模型,提出了多参数相对敏感度分析和单工艺参数区间敏感度分析方法,分别得到了面向层间结合强度和孔隙率的各工艺参数的相对敏感度值,并绘制了单工艺参数区间敏感度曲线。随后,基于敏感度原理设计了工艺参数稳定域划分方法,获得了工艺参数总体稳定域为:加热温度为[101℃,150℃],缠绕张力为[50N,500N],压辊压力为[861N,1500N],缠绕速度为[0.100m/s,0.294m/s]。工艺参数总体稳定域内层间剪切强度平均值为73.2MPa,孔隙率平均值为1.64%。并通过实验验证了该工艺参数稳定域的稳定性和可靠性。第四,揭示了带缠绕成型工艺参数对制品性能的单作用及耦合作用机制。采用带缠绕成型工艺过程理论数学模型,对T300/Y69预浸胶带缠绕成型过程进行仿真分析和实验研究,得到了敏感工艺参数包括加热温度、压辊压力、缠绕张力和缠绕速度分别对层间剪切强度和孔隙率的影响规律曲线,在通过实验验证理论模型准确性的基础上分析了各工艺参数对制品性能表征参数的影响机制。并利用模型仿真对工艺参数耦合作用对制品性能表征参数的影响机制进行了分析,阐述了缠绕成型工艺参数之间的相互作用以及其对最终制品性能的影响。最后,对工艺参数进行了区间优选并设计开发了带缠绕制品质量控制系统。基于带缠绕成型过程理论数学模型进行仿真计算,分别得到面向层间结合强度和孔隙率的工艺参数四维切片图以及特定条件下的三维工艺窗口,以及带缠绕成型总体三维工艺窗口。结合工艺参数总体稳定域,对工艺参数进行了区间优选并进行了实验验证。实验结果表明:采用优选区间内的工艺参数组合加工的缠绕制品孔隙率均小于1.5%,且制品层间剪切强度平均值为86.1MPa。最后,将缠绕成型过程理论模型/经验模型和参数优化方法相结合,设计并开发出面向带缠绕制品的质量控制系统。

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