三维结构复合材料预制体轮廓约束机理_应哲赟 (1).pdf

第 51 卷，第 6 期2023 年 6 月工程塑料应用Vol.51，No.6Jun.2023ENGINEERING PLASTICS APPLICATION三维结构复合材料预制体轮廓约束机理应哲赟1，单忠德1，2，刘丰1，吴晓川1，杜悟迪1，陈哲1(1.中国机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室，北京 100083；2.南京航空航天大学，南京 210016)摘要：为实现三维结构复合材料预制体的高性能、快速成形织造，研究了基于柔性导向三维多针成形原理的预制体轮廓约束方法，利用图像处理技术获得了预制体纤维环形状特征，建立了工艺参数对纤维环形状特征影响的理论模型，搭建了纤维环成环试验装置，探究了织造针伸出长度、织造层数和织造高度对纤维环形状特征的影响规律。并通过该理论模型对纤维环进行形状特征调控，完成典型件的试织。结果表明，纤维环侧边高度以及最大内接圆直径随伸出长度和织造高度增大而增大，随织造层数增大而减小，该模型预测与实际测得的纤维环侧边高度及最大内接圆直径的最大相对误差分别为6.29%和4.63%，进一步通过调节织造高度来改变纤维环的形状特征，完成层数为90层的预制体织造，说明该理论模型可以准确描述纤维环形状特征，并可通过该模型对纤维环形状特征进行调控，扩大了预制体轮廓约束工艺窗口，为实现预制体轮廓自动、高质量约束提供了理论指导和实践基础。关键词：预制体；轮廓约束；纤维环；形状调控中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3539（2023）06-0054-08Contour Constraint Mechanism of Three-Dimensional Structure Composite PreformYing Zheyun1，Shan Zhongde1，2，Liu Feng1，Wu Xiaochuan1，Du Wudi1，Chen Zhe1(1.State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment，China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.，Ltd.，Beijing 100083，China；2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract：In order to realize the high-performance and rapid forming weaving of three-dimensional structural composite preforms，the contour constraint method of preforms based on the principle of flexible-oriented three-dimensional multi-needle forming was studied.The shape characteristics of preform annulus were obtained by image processing technology.The theoretical model of the influence of process parameters on the shape characteristics of annulus was established，and the annulus forming test device was built.The influence of weaving needle extension length，weaving layers and weaving height on the shape characteristics of annulus was explored.Through the theoretical model，the shape characteristics of the fiber annuluses were regulated，and the weaving of typical parts was completed.The results show that the side height and the maximum inscribed circle diameter of the fiber annulus increase with the increase of the extension length and the weaving height，and decrease with the increase of the weaving layers.The maximum relative error between the model prediction and the actual measurement of the side height and the maximum inscribed circle diameter is 6.29%and 4.63%respectively.The shape characteristics of the fiber annulus are further changed by adjusting the weaving height，and the preform weaving with 90 layers is completed，which shows that the theoretical model can accurately describe the shape characteristics of the fiber annulus，and the shape characteristics of the fiber annulus can be regulated by the model.It expands the process window of the preform contour constraint，and provides theoretical guidance and practical basis for realizing the automatic and high-quality constraint of the preform contour.Keywords：preforms；contour constraint；fiber annulus；regulation of shape三维增强复合材料由于其厚度方向引入了Z向纤维束，克服了二维复合材料抗分层能力和抗冲击性差的缺陷，受到了越来越多的国内外学者的关注1。由于三维增强复合材料具有轻质、高比强度、doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2023.06.009基金项目：国防科技基础加强计划项目通信作者：单忠德，研究员，研究方向为数字化机械装备与先进成形制造收稿日期：2023-03-17引用格式：应哲赟，单忠德，刘丰，等.三维结构复合材料预制体轮廓约束机理J.工程塑料应用，2023，51(6)：5461.Ying Zheyun，Shan Zhongde，Liu Feng，et al.Contour constraint mechanism of three-dimensional structure composite preformJ.Engineering Plastics Application，2023，51(6)：5461.54应哲赟，等：三维结构复合材料预制体轮廓约束机理高比模量、抗烧蚀和可设计性强等特点，使其在航空航天、轨道交通和生物医疗等领域得到了更多的青睐和应用，如固体火箭发动机喉衬2-3，复合材料天线罩4，发动机叶轮5，J型血管支架6等。常见的三维纤维预制体成形方法有三维机织7、三维编织8以及柔性导向三维织造成形9等。为实现预制体的近净成形，需要对预制体轮廓进行精准约束。在三维机织中通过引纬机构将纬纱引入由开口机构形成的梭口中完成对经纱的约束，再由织边系统对纬纱进行固定，实现三维机织物的轮廓约束。常见的引纬机构有剑杆引纬、剑带引纬、喷气引纬和喷水引纬10-12。为实现段纬类织物的自动化快速织造，蔡志城等13分析了通纬和手工段纬两种方法织造段纬类织物存在的缺陷，设计了可以变动程引纬织造的段纬自动引纬机构，避免了纬纱相互纠缠和纱线浪费。冯伟等14从织机适应市场需求为出发点，分析了挠性剑杆织机凸轮箱的振动问题，建立了打纬机构主从动件之间的关系方程，为织机高速化的优化改进提供理论依据。蔡锡松等15针对多眼综丝开口方式在织造三维织物过程中无法有效开启各层经纱层梭口的问题，设计了一种辅助开口系统，并验证了各轴满足所需运动规律，有效提高了织造效率。董红坤等16依据不同类型三维织物，设计了通过携纱器携带织边纱锁定纬纱，预打纬机构根据横截面外形牵动纬纱使织边纱与经纱贴合的新型织边系统，打破了织边纱只能锁边不能塑形的局限。三维编织物则是通过引入轴向纱或周向纱实现预制体轮廓的约束。蒋宇等17提出了飞轮的三维五向编织工艺制造方法，保证圆周方向携纱器数量为偶数，采用四步法编织，第四步时引入周向纬纱，完成一个编织花节长度的轮廓约束，以此往复得到所需长度的编织飞轮预制件。柔性导向三维织造成形方法其原理是通过织造针将纤维束铺放于导向阵列中，采用轮廓约束工艺实现纤维束固定，再通过压实工艺完成预制体成形9。在轮廓约束工艺中，织造针携带的纤维束与导向阵列边缘形成具有一定形状的纤维环，将辅助边棒置入纤维环中实现单层轮廓约束，研究纤维环形状特征对预制体轮廓约束工艺具有重要意义。笔者基于柔性导向三维织造成形工艺，分析了织造成形过程中纤维环的形状特征，建立了描述纤维环形状特征的理论模型，探究了各工艺参数对纤维环形状特征的影响规律。进一步使用该理论模型对纤维环形状特征进行调控，完成预制体样件的试织，扩大了工艺窗口，为后续预制体轮廓自动约束装置的研发提供了实践基础与理论依据，推动了三维结构复合材料预制体数字化成形技术发展。1 纤维成环工艺分析与建模在柔性导向三维多针织造过程中，织造针携带纤维束伸出导向阵列一定长度后，织造针、导向阵列和纤维束形成的封闭图形称之为纤维环，如图1所示。纤维环形状特征决定了置入辅助边棒的难易程度。当纤维束在一定张力条件下，纤维环近似于直角三角形。基于纤维环直角三角形假设和三维织造工艺特点，建立如图2所示的纤维环成形理论分析模型。在图2中，建立以O1点为原点、垂直向下为x轴正方向、水平向右为y轴正方向的坐标系。图2中模型各参数物理意义见表1。织造针伸出导向阵列后，为保证纤维束处于保织造排针辅助边棒:半径r纤维束纤维环n图1纤维环成环过程示意图l1l2l3HSlh最大内接圆辅助边棒b对称轴O1xy织造排针纤维束导向阵列图2纤维环成环结构示意图表1纤维成环模型参数物理意义表参数名称HLSlhbl1l2l3物理意义织造高度纤维预留长度织造针尖至导向阵列距离织造针伸出长度纤维环侧边高度进针方向预制体幅宽织造针与纤维束夹角辅助边棒切点至织造针尖距离辅助边棒纤维束包覆段辅助边棒切点至导向阵列距离55工程塑料应用2023 年，第 51 卷，第 6 期持绷直状态，S应满足以下关系：S=b+l+4r(1)式中：r辅助边棒半径。在纤维束送纱过程中，纤维预留长度保持不变，送纱完成后纤维预留长度由三部分构成，分别为l1，l2，l3。纤维预留长度及三部分长度分别为：L=H-2(n-1)r 2+S2(2)l1=rsin+r+b+ll l2+h2(3)l2=(-)r(4)l3=r(5)式中：L纤维预留长度；n织造层数。辅助边棒沿导向阵列边缘置入，纤维环侧边高度可以决定辅助边棒沿x正