关键词:
纤维缠绕
结构设计
有限元分析
纱线张力
模糊控制
摘要:
随着科学技术的发展,复合材料成型制品已经被广泛应用于航空航天、石油化工、国防、交通运输等领域。复合材料预制件的成型工艺有很多,拉挤成型工艺就是其中一种,拉挤工艺作为发展速度最快、最有效的一种成型工艺,其工艺简单、高效,可以实现自动化控制。拉挤工艺大体上可以分为传统拉挤工艺和组合式拉挤工艺。组合拉挤工艺之一的编织-缠绕-拉挤工艺是将在胶液中浸透了的连续无捻粗纱等增强材料,通过一定的角度编织、缠绕,在牵引力的作用下,通过模具加热拉挤成型的一种工艺。这种组合工艺在传统拉挤工艺基础上增加了编织和缠绕工艺,相较于传统拉挤工艺增强了成型件的环向刚度,所以在编织-缠绕-拉挤工艺中将重点探究增强成型件环向刚度的缠绕工艺,当前纤维缠绕大多采用往复式缠绕方式,通过缠绕小车匀速往复运动方式将纱线均匀有序的缠绕在芯模表面,实现制品成型,结合前人研究方法,本课题提出通过多纱单向进给式缠绕方式实现制品缠绕成型,并为此设计了一种纤维缠绕设备,实现制品的环向缠绕,提高纤维缠绕制品的质量和生产效率。本文的主要研究内容如下:第一,介绍了传统拉挤成型工艺生产制件的具体过程以及拉挤工艺用设备的组成,并介绍了组合拉挤工艺之一的编织-缠绕-拉挤工艺中编织、缠绕和拉挤三者之间相互配合生产制件的过程,并针对编织-缠绕-拉挤工艺中有助于增强成型件环向刚度的缠绕工艺进行了进一步研究,根据拉挤成型原理进行了纤维缠绕规律的分析,提出了纤维缠绕的设计要求,设计计算了纤维缠绕轨迹和缠绕角度。并针对缠绕规律和设计要求进行了缠绕方案的设计,确定了合适的缠绕方案,为下一步缠绕设备的设计提供参考依据。第二,根据选定的缠绕工艺以及工艺参数要求,提出了缠绕设备的总体设计方案,并利用Solid Works进行了缠绕设备的结构设计,分别设计了挂纱模块中的缠绕圆盘和纱筒装置;缠绕机引纱模块;缠绕机支撑装置;缠绕机的传动部件和执行部件。并通过计算缠绕机的等效转动惯量、等效转矩及功率为其配置了伺服电机。最后将各个模块进行合理装配,得到了纤维缠绕设备。第三,针对挂纱模块中的缠绕圆盘和纱筒装置、支撑装置中的滚动轴承和支撑架、执行部件中的齿轮副等零部件,利用ANSYS workbench进行了有限元分析,验证了设计的合理性,得到了零部件在运转状态下的应力和变形,分析结果表明,应力与变形量均在选定的材料的变形和应力允许变化范围内。并针对变形较大的零部件进行了尺寸或材料等方面的调整,使之减小变形,能够更好地承受相应的载荷。第四,因为纱线在缠绕过程中存在一定的纱线张力与振动,为了分析纱线的张力和振动,建立了纱线的张力和振动模型,并利用MATLAB软件求解了数学模型,得到了纱线的张力与振动变化情况。并利用速度立方控制方法和模糊控制方法对纱线的振动分别进行了控制,结果表明,采用速度立方控制方法时,当没有对纱线进行控制时,纱线横向振动会随着时间的推移越来越大,当加载适当的控制后,纱线振动得到了较好地抑制,但是这种控制方法下的纱线初始振幅较大,为了进一步减小纱线的初始振幅,又通过另一种控制方法即模糊控制方法对纱线振动进行了控制,结果表明,纱线的振幅得到了进一步减小,且对纱线施加适当的尺度因子时,其纱线振动抑制时间更短,效果更好。