復(fù)合材料預(yù)浸帶柔性斜纏繞系統(tǒng)研究

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1、學(xué)校代碼10699分類號(hào)TP29密級(jí)學(xué)號(hào)2009100311題目復(fù)合材料預(yù)浸帶柔性斜纏繞系統(tǒng)研究作者何曉東學(xué)科專業(yè)機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師秦現(xiàn)生教授申請(qǐng)學(xué)位日期2016年12月西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文（學(xué)位研究生）題目：復(fù)合材料預(yù)浸帶柔性斜纏繞系統(tǒng)研究作者：何曉東學(xué)科專業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：秦現(xiàn)生教授2016年12月Title:ResearchonflexibletiltedwindingsystemforCompositePrepregTapeByHeXiaodongUndertheSupervisionofprofessorQinXianshengADissertationSub

2、mittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechatronicEngineeringXi’anP.R.ChinaDecember2016摘要摘要復(fù)合材料預(yù)浸帶纏繞成型技術(shù)是針對(duì)航天飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件制造而發(fā)展形成的一種復(fù)合材料成型工藝。根據(jù)預(yù)浸帶纏繞方向不同，可分為平行纏繞、平疊纏繞及斜纏繞。航天發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫高速氣流對(duì)纏繞制品產(chǎn)生了燒蝕與機(jī)械沖刷作用。在戰(zhàn)略導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程運(yùn)載火箭等長(zhǎng)距離航天器的應(yīng)用中，隨著工作時(shí)間的持

3、續(xù)增長(zhǎng)，平行、平疊纏繞制品在高溫?zé)g環(huán)境中將發(fā)生分層、脫落等現(xiàn)象，影響航天發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，嚴(yán)重時(shí)將造成發(fā)動(dòng)機(jī)失效，導(dǎo)致發(fā)射失敗。針對(duì)這種情況，在長(zhǎng)距離、遠(yuǎn)程航天發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件制造工藝中，提出了斜纏繞工藝，通過(guò)將預(yù)浸帶沿模具軸線方向呈一定纏繞角形成斜向纏繞層，從而避免預(yù)浸帶纏繞制品的燒蝕分層現(xiàn)象。航天飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的斜纏繞成型過(guò)程中，現(xiàn)有的斜纏繞剛性錐壓輥系統(tǒng)在工作時(shí)，預(yù)浸帶的輸送過(guò)程存在過(guò)拉伸及滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致剛性錐壓輥系統(tǒng)纏繞角范圍小、工藝適應(yīng)性差，且成型過(guò)程的穩(wěn)定依賴于人工經(jīng)驗(yàn)。采用剛性錐壓輥系統(tǒng)的斜纏繞工藝存在合格率、生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大以及成本高等不足。因此，研究大

4、纏繞角噴管的自動(dòng)化成型制造，提高斜纏繞的工藝適應(yīng)范圍，對(duì)于提高大型遠(yuǎn)程運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)具有重要的意義。為解決現(xiàn)有斜纏繞剛性錐壓輥系統(tǒng)的局限性，獲得制品性能穩(wěn)定的斜纏繞成型技術(shù)，論文針對(duì)斜纏繞工藝原理進(jìn)行研究，提出并設(shè)計(jì)了柔性斜纏繞系統(tǒng)。論文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)。首先，針對(duì)剛性錐壓輥系統(tǒng)存在的局限性，通過(guò)對(duì)斜纏繞工藝原理的研究，獲得了斜纏繞穩(wěn)定條件，提出了設(shè)計(jì)斜纏繞預(yù)浸帶的理想輸送系統(tǒng)的設(shè)想。有鑒于此，分別設(shè)計(jì)了預(yù)浸帶柔性變形系統(tǒng)以及預(yù)浸帶糾偏系統(tǒng)。預(yù)浸帶輸送控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柔性變形系統(tǒng)能夠獲得準(zhǔn)確的預(yù)浸帶變形輸出，糾偏系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)浸帶在壓輥表面的無(wú)滑移纏繞。斜纏繞工藝

5、原理及預(yù)浸帶輸送系統(tǒng)為后續(xù)的研究工作提供了基礎(chǔ)。其次，對(duì)預(yù)浸帶與纏繞層的層間結(jié)合模型進(jìn)行了研究，并提取了影響預(yù)浸帶斜纏繞成型的關(guān)鍵工藝參數(shù)。采用實(shí)驗(yàn)擬合的研究方法建立預(yù)浸帶纏繞制品性能與工藝參數(shù)的映射模型。通過(guò)對(duì)映射模型的響應(yīng)面優(yōu)化分析獲得了纏繞成型工藝的最優(yōu)參數(shù)組合，以此作為斜纏繞成型實(shí)驗(yàn)的理想?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)值。對(duì)纏繞制品性能參數(shù)映射模型敏感度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明纏繞制品性能對(duì)壓力波動(dòng)最為敏感，因此選取纏繞壓力作為柔性斜纏繞系統(tǒng)的核心控制參數(shù)。第三，針對(duì)現(xiàn)有斜纏繞壓力-位置組合控制過(guò)程中存在的控制誤差，提出了斜纏繞柔性壓力-位置控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)預(yù)浸帶纏繞層的受力變形及壓縮阻抗力I西北工業(yè)

6、大學(xué)博士論文的特性分析，獲得了預(yù)浸帶纏繞層的非線性粘彈性變形模型。根據(jù)預(yù)浸帶纏繞層的變形模型，對(duì)現(xiàn)有的纏繞壓力-位置組合控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模及控制誤差研究。針對(duì)纏繞壓力-位置組合控制系統(tǒng)存在的不足，為提高斜纏繞控制穩(wěn)定性，提出了基于遺忘因子遞推最小二乘參數(shù)估計(jì)算法PID控制器的斜纏繞柔性壓力-位置控制系統(tǒng)。基于預(yù)浸帶纏繞層壓縮產(chǎn)生阻抗作用的原理，使斜纏繞柔性壓力-位置系統(tǒng)近似為單輸入單輸出的線性系統(tǒng)，通過(guò)輸入位置控制量使斜向纏繞層產(chǎn)生壓縮阻抗輸出纏繞壓力。仿真結(jié)果表明，斜纏繞柔性壓力-位置控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)變剛度環(huán)境下穩(wěn)定、準(zhǔn)確的纏繞壓力控制。第四，將壓力-位置組合控制系統(tǒng)及柔性壓力-

7、位置控制系統(tǒng)分別與柔性變形系統(tǒng)相結(jié)合，采用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行斜纏繞圓筒成型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用柔性壓力-位置控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的壓力控制，獲得表面光滑平順的纏繞制品。根據(jù)斜纏繞制品性能分析結(jié)果，與壓力-位置組合控制系統(tǒng)相比，柔性壓力-位置控制系統(tǒng)保證了良好斜纏繞制品性能，使制品的層間剪切強(qiáng)度穩(wěn)定在理想狀態(tài)的最優(yōu)值。最后，為驗(yàn)證柔性斜纏繞制品的耐燒蝕性能，分別對(duì)平行纏繞工藝、剛性斜纏繞及柔性斜纏繞工藝等三種工藝所獲得的預(yù)浸帶纏繞圓筒噴管，進(jìn)行纏繞制