复合材料预浸带柔性斜缠绕系统研究

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1、学校代码10699分类号TP29密级学号2009100311题目复合材料预浸带柔性斜缠绕系统研究作者何晓东学科专业机械电子工程指导教师秦现生教授申请学位日期2016年12月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：复合材料预浸带柔性斜缠绕系统研究作者：何晓东学科专业：机械电子工程指导教师：秦现生教授2016年12月Title:ResearchonflexibletiltedwindingsystemforCompositePrepregTapeByHeXiaodongUndertheSupervisionofprofessorQinXianshengADissertationSub

2、mittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechatronicEngineeringXi’anP.R.ChinaDecember2016摘要摘要复合材料预浸带缠绕成型技术是针对航天飞行器发动机关键零部件制造而发展形成的一种复合材料成型工艺。根据预浸带缠绕方向不同，可分为平行缠绕、平叠缠绕及斜缠绕。航天发动机工作时，高温高速气流对缠绕制品产生了烧蚀与机械冲刷作用。在战略导弹、远程运载火箭等长距离航天器的应用中，随着工作时间的持

3、续增长，平行、平叠缠绕制品在高温烧蚀环境中将发生分层、脱落等现象，影响航天发动机工作性能，严重时将造成发动机失效，导致发射失败。针对这种情况，在长距离、远程航天发动机的关键零部件制造工艺中，提出了斜缠绕工艺，通过将预浸带沿模具轴线方向呈一定缠绕角形成斜向缠绕层，从而避免预浸带缠绕制品的烧蚀分层现象。航天飞行器发动机关键部件的斜缠绕成型过程中，现有的斜缠绕刚性锥压辊系统在工作时，预浸带的输送过程存在过拉伸及滑移现象，导致刚性锥压辊系统缠绕角范围小、工艺适应性差，且成型过程的稳定依赖于人工经验。采用刚性锥压辊系统的斜缠绕工艺存在合格率、生产效率低，劳动强度大以及成本高等不足。因此，研究大

4、缠绕角喷管的自动化成型制造，提高斜缠绕的工艺适应范围，对于提高大型远程运载火箭发动机制造技术具有重要的意义。为解决现有斜缠绕刚性锥压辊系统的局限性，获得制品性能稳定的斜缠绕成型技术，论文针对斜缠绕工艺原理进行研究，提出并设计了柔性斜缠绕系统。论文的研究内容主要包括以下几点。首先，针对刚性锥压辊系统存在的局限性，通过对斜缠绕工艺原理的研究，获得了斜缠绕稳定条件，提出了设计斜缠绕预浸带的理想输送系统的设想。有鉴于此，分别设计了预浸带柔性变形系统以及预浸带纠偏系统。预浸带输送控制实验结果表明，柔性变形系统能够获得准确的预浸带变形输出，纠偏系统能够实现预浸带在压辊表面的无滑移缠绕。斜缠绕工艺

5、原理及预浸带输送系统为后续的研究工作提供了基础。其次，对预浸带与缠绕层的层间结合模型进行了研究，并提取了影响预浸带斜缠绕成型的关键工艺参数。采用实验拟合的研究方法建立预浸带缠绕制品性能与工艺参数的映射模型。通过对映射模型的响应面优化分析获得了缠绕成型工艺的最优参数组合，以此作为斜缠绕成型实验的理想参考基准值。对缠绕制品性能参数映射模型敏感度进行了分析，结果表明缠绕制品性能对压力波动最为敏感，因此选取缠绕压力作为柔性斜缠绕系统的核心控制参数。第三，针对现有斜缠绕压力-位置组合控制过程中存在的控制误差，提出了斜缠绕柔性压力-位置控制系统。通过对预浸带缠绕层的受力变形及压缩阻抗力I西北工业

6、大学博士论文的特性分析，获得了预浸带缠绕层的非线性粘弹性变形模型。根据预浸带缠绕层的变形模型，对现有的缠绕压力-位置组合控制系统进行了建模及控制误差研究。针对缠绕压力-位置组合控制系统存在的不足，为提高斜缠绕控制稳定性，提出了基于遗忘因子递推最小二乘参数估计算法PID控制器的斜缠绕柔性压力-位置控制系统。基于预浸带缠绕层压缩产生阻抗作用的原理，使斜缠绕柔性压力-位置系统近似为单输入单输出的线性系统，通过输入位置控制量使斜向缠绕层产生压缩阻抗输出缠绕压力。仿真结果表明，斜缠绕柔性压力-位置控制系统能够实现时变刚度环境下稳定、准确的缠绕压力控制。第四，将压力-位置组合控制系统及柔性压力-

7、位置控制系统分别与柔性变形系统相结合，采用最优工艺参数组合进行斜缠绕圆筒成型实验。实验结果表明，采用柔性压力-位置控制系统，能够实现稳定的压力控制，获得表面光滑平顺的缠绕制品。根据斜缠绕制品性能分析结果，与压力-位置组合控制系统相比，柔性压力-位置控制系统保证了良好斜缠绕制品性能，使制品的层间剪切强度稳定在理想状态的最优值。最后，为验证柔性斜缠绕制品的耐烧蚀性能，分别对平行缠绕工艺、刚性斜缠绕及柔性斜缠绕工艺等三种工艺所获得的预浸带缠绕圆筒喷管，进行缠绕制