復合材料預浸帶柔性斜纏繞系統(tǒng)研究

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1、學校代碼10699分類號TP29密級學號2009100311題目復合材料預浸帶柔性斜纏繞系統(tǒng)研究作者何曉東學科專業(yè)機械電子工程指導教師秦現(xiàn)生教授申請學位日期2016年12月西北工業(yè)大學博士學位論文（學位研究生）題目：復合材料預浸帶柔性斜纏繞系統(tǒng)研究作者：何曉東學科專業(yè)：機械電子工程指導教師：秦現(xiàn)生教授2016年12月Title:ResearchonflexibletiltedwindingsystemforCompositePrepregTapeByHeXiaodongUndertheSupervisionofprofessorQinXianshengADissertationSub

2、mittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechatronicEngineeringXi’anP.R.ChinaDecember2016摘要摘要復合材料預浸帶纏繞成型技術是針對航天飛行器發(fā)動機關鍵零部件制造而發(fā)展形成的一種復合材料成型工藝。根據(jù)預浸帶纏繞方向不同，可分為平行纏繞、平疊纏繞及斜纏繞。航天發(fā)動機工作時，高溫高速氣流對纏繞制品產生了燒蝕與機械沖刷作用。在戰(zhàn)略導彈、遠程運載火箭等長距離航天器的應用中，隨著工作時間的持

3、續(xù)增長，平行、平疊纏繞制品在高溫燒蝕環(huán)境中將發(fā)生分層、脫落等現(xiàn)象，影響航天發(fā)動機工作性能，嚴重時將造成發(fā)動機失效，導致發(fā)射失敗。針對這種情況，在長距離、遠程航天發(fā)動機的關鍵零部件制造工藝中，提出了斜纏繞工藝，通過將預浸帶沿模具軸線方向呈一定纏繞角形成斜向纏繞層，從而避免預浸帶纏繞制品的燒蝕分層現(xiàn)象。航天飛行器發(fā)動機關鍵部件的斜纏繞成型過程中，現(xiàn)有的斜纏繞剛性錐壓輥系統(tǒng)在工作時，預浸帶的輸送過程存在過拉伸及滑移現(xiàn)象，導致剛性錐壓輥系統(tǒng)纏繞角范圍小、工藝適應性差，且成型過程的穩(wěn)定依賴于人工經驗。采用剛性錐壓輥系統(tǒng)的斜纏繞工藝存在合格率、生產效率低，勞動強度大以及成本高等不足。因此，研究大

4、纏繞角噴管的自動化成型制造，提高斜纏繞的工藝適應范圍，對于提高大型遠程運載火箭發(fā)動機制造技術具有重要的意義。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，論文針對斜纏繞工藝原理進行研究，提出并設計了柔性斜纏繞系統(tǒng)。論文的研究內容主要包括以下幾點。首先，針對剛性錐壓輥系統(tǒng)存在的局限性，通過對斜纏繞工藝原理的研究，獲得了斜纏繞穩(wěn)定條件，提出了設計斜纏繞預浸帶的理想輸送系統(tǒng)的設想。有鑒于此，分別設計了預浸帶柔性變形系統(tǒng)以及預浸帶糾偏系統(tǒng)。預浸帶輸送控制實驗結果表明，柔性變形系統(tǒng)能夠獲得準確的預浸帶變形輸出，糾偏系統(tǒng)能夠實現(xiàn)預浸帶在壓輥表面的無滑移纏繞。斜纏繞工藝

5、原理及預浸帶輸送系統(tǒng)為后續(xù)的研究工作提供了基礎。其次，對預浸帶與纏繞層的層間結合模型進行了研究，并提取了影響預浸帶斜纏繞成型的關鍵工藝參數(shù)。采用實驗擬合的研究方法建立預浸帶纏繞制品性能與工藝參數(shù)的映射模型。通過對映射模型的響應面優(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驗的理想參考基準值。對纏繞制品性能參數(shù)映射模型敏感度進行了分析，結果表明纏繞制品性能對壓力波動最為敏感，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，針對現(xiàn)有斜纏繞壓力-位置組合控制過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)。通過對預浸帶纏繞層的受力變形及壓縮阻抗力I西北工業(yè)

6、大學博士論文的特性分析，獲得了預浸帶纏繞層的非線性粘彈性變形模型。根據(jù)預浸帶纏繞層的變形模型，對現(xiàn)有的纏繞壓力-位置組合控制系統(tǒng)進行了建模及控制誤差研究。針對纏繞壓力-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)估計算法PID控制器的斜纏繞柔性壓力-位置控制系統(tǒng)?；陬A浸帶纏繞層壓縮產生阻抗作用的原理，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)，通過輸入位置控制量使斜向纏繞層產生壓縮阻抗輸出纏繞壓力。仿真結果表明，斜纏繞柔性壓力-位置控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)時變剛度環(huán)境下穩(wěn)定、準確的纏繞壓力控制。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)相結合，采用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行斜纏繞圓筒成型實驗。實驗結果表明，采用柔性壓力-位置控制系統(tǒng)，能夠實現(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度穩(wěn)定在理想狀態(tài)的最優(yōu)值。最后，為驗證柔性斜纏繞制品的耐燒蝕性能，分別對平行纏繞工藝、剛性斜纏繞及柔性斜纏繞工藝等三種工藝所獲得的預浸帶纏繞圓筒噴管，進行纏繞制