纤维铺放（精选3篇）
纤维铺放 篇1
0引言
自动铺放技术在航空航天领域,尤其是中央翼盒、机翼这样具有小曲率大曲面的零件制造上有十分重大的意义,它将提高生产率和工艺水平,在保证机翼强度的同时大幅度减小质量。对于平面工件,国外带铺放设备可使工作时间减少70%～85%,铺放效率高达1 000kg/周,而同时废料率也大大减少。近年来开发的全复合材料飞机机身(波音以及欧盟开发的复合材料机身)均采用了先进的自动铺放技术,最成功的例子是V22倾转旋翼机,包括后机身(降低成本53%、材料损耗因子由3.5降到1.25)、中机身内蒙皮、受油管、旋翼扭管(降低成本75%)、翼梢浮筒等。
1纤维带铺放系统控制设计
1.1 铺放系统功能要求
龙门式铺放机是一个多轴联合运动的大型数控设备,分为铺放头和龙门结构两部分,铺放头是实现纤维带铺放的机构,龙门结构用于实现铺放头的空间运动,铺放头安装在龙门结构上。要实现平面铺放的功能,需要铺放头在三维空间自由运动和旋转,即空间x、y、z轴的直线运动和绕z轴的旋转。在铺放过程中铺放头需要传送纤维带、加热、给铺放表面加压、铺放质量在线检测、铺放结束后自动切割。铺放头需要把这些功能结合在一起,因此铺放头的设计是纤维带铺放成型的核心技术。
图1为铺放头机构简图,由放卷装置、收卷装置、加热装置、加压装置、剪切装置和旋转装置组成。要保证在铺放过程中铺放带连续不断地供给到铺放物体表面,由于现在铺放使用的铺放带有3层(包括上、下两层衬纸以及中间的碳纤维预浸带),因此需要放卷装置和收卷装置(分别收上、下两层衬纸)来实现传送功能。铺放头只可以单方向铺带,因此沿某一方向完成一次铺放后,为节省加工时间需要在铺放完成处旋转180o,沿反方向再铺一次。预浸铺放带在常温下没有粘性,需要加热才能铺放成型。预浸铺放带加热后有一定粘性,但不会自动贴于铺放物体表面,需要加压装置施加一定压力才能使它与铺层表面粘合起来。剪切点到铺放点有固定距离,需要根据速度和这个距离来决定剪切的时间点。在铺放过程中,铺放头铺放到铺放物体边缘时需要将铺放带沿铺放物体边缘剪切,由于可能以不同角度到达边缘,因此需要剪切装置可以以一定角度切断铺放带。
1.2 铺放头控制装置
1.2.1 放卷装置
铺放带存储在卷盘上,在铺放过程中释放铺放带,并要保持一定的张力,用一个磁粉制动器连带一个储带盘实现。
1.2.2 收卷装置
铺放带的上、下层衬纸分别由收卷装置收起,左、右两边的收卷储带盘收掉左、右两侧的衬纸,收的过程也要保持一定张力,用两个力矩电机实现。
1.2.3 剪切装置
剪切装置由压紧靴和压力垫、角度旋转、切割刀和导轨3个机构组成,在铺放过程中可以以一定角度切断铺放带。铺放带在铺放过程中保持一定张力,剪切时要夹紧,防止铺放带被收卷装置收回;另一方面碳纤维具有强度高、耐磨性好、韧性好的特点,将铺放带压在压力垫上便于超声波切割刀把碳纤维切断。切割时铺放带上层衬带还未去掉,需要它来作为引导带,通过图1中的4、6、7将其收回到上收卷盘,在切断碳纤维后引导后面的铺放带继续铺放,因此切割时不能损伤上层衬带。
1.2.4 加热装置
纤维带需经过加热才能在铺放成型时经加压辊把预浸纤维带碾压到铺放层表面,与先前的铺层表面粘合起来,并排出气泡。
1.2.5 加压辊
有两个压辊,由气缸通过滑轨连接。铺放中气缸进气,下辊压在铺放对象表面;结束后气缸排气,上辊压在铺放对象表面,继续对铺放带保持压力。
1.2.6 测速装置
采用一个测速电机和测速机构对铺放带的铺放速度进行测量,并确定剪切动作的时间。
1.3 总体控制框图
图2为控制系统组成与结构,选择PMAC2 PCI 8轴卡作为上位控制核心,通过PCI总线与工业PC相连接,其它不同的接口和外部不同的设备相连接。主要接口是J8和J7(JMACH1和JMACH2),每个接口包括4个通道的I/O:模拟输出、编码器输入、相关输入输出信号(正负限位、原点、放大器信号等)、电源连接。这8个通道分别分配给x、y、z轴作直线运动及z轴旋转伺服电机、测速电机和剪切装置的步进电机和伺服电机。J2(JPAN)接口用于连接控制面板,接收来自控制面板的控制信号;J5(JOPT)是个8入8出的I/O接口,收卷装置的力矩电机和放卷装置的磁粉制动器以及压力辊和剪切装置中压紧靴的气动电磁阀都通过此接口控制。
2控制软件的实现
2.1 自动铺放的工艺流程
图3为铺放方式示意图。首先要设定铺放参数,包括x、y方向的铺放尺寸、铺放层数等。开始铺放时龙门结构伺服电机回到各自的设定原点,同时加热机构开始加热,然后收卷机构收卷使原来在卷盘中的纤维带经过加热装置后露在加压辊下,z方向电机下移一段距离,气动装置充气,加压辊将纤维带压在铺放体表面,铺放头开始沿着某一铺放路径运动,到达剪切位置后,停机剪切,继续运动到铺放体边缘,放气加压辊收回,z轴电机提起,铺放头旋转180o,进行下一次平铺。重复上面过程,直到达到y方向设定值,就完成了一层的平铺。自动铺放流程见图4,平铺一层的流程见图5。
2.2 软件模块架构
数控系统的软件模块架构见图6,由主控模块及各个功能模块组成。主控模块为用户提供一个友好的系统操作界面,在此界面下,系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块可分为实时控制类功能模块和非实时管理类模块两大类。实时控制类功能模块控制当前的伺服运动和数据采集,具有毫秒级甚至更高要求的时间响应;非实时管理类模块包括系统参数设置、系统维护、系统通讯以及NC程序编辑等内容,这类软件模块可利用PC微机和PMAC所提供的计算机语言和软件工具实现,由于时间响应要求不高,故由PC微机负责运行。
2.3 模块的实现
在软件模块的实现方式上,采用了Visual C++作为程序开发工具,利用PMAC卡的动态链接库DLL可以很快开发出Windows平台下的运动控制系统,屏蔽Windows环境下程序设计的复杂性,使Windows应用程序设计变得简单、方便、快捷。
伺服运动程序模块利用PMAC自带的命令对各个轴的电机按位置控制的方式编写运动控制程序,PLC程序模块用于输入信号处理以及运动控制,数据采集用于和PMAC卡实时通讯,在工业PC上显示铺放机的运动状态,包括显示铺放头的实际位置、命令位置、速度,这些实时模块用于实现手动或自动铺放的运动控制。
系统维护模块用于初始化PMAC卡并设置IPC与 PMAC 和DPRAM的通讯方式和通讯地址;系统通信模块用于实现与PMAC卡数据交换,主要用于将参数设置写回PMAC;参数设置模块根据控制方式和铺放对象的不同改变系统的参数配置(x、y轴运动范围)以满足不同应用的要求;NC程序编辑模块主要是通过键盘输入编写运动程序和PLC程序同时保存在PC机中,在需要时通过Pcomm32提供的下载函数下载到PMAC的缓冲区中给自动铺放提供运行程序。
3结束语
纤维带自动铺放技术是先进复合材料成型技术的发展,是从手工铺放向机械铺放的跨越。纤维带铺放系统控制设计是纤维带自动铺放的关键技术之一,开放式数控系统是目前数控发展的趋势,而PC机+可编程运动控制器型开放式数控系统是发展的主流。以PMAC多轴运动控制器开发的数控系统,硬件结构简单,调试方便,能很好地完成纤维带自动铺放的控制任务。
参考文献
[1]李勇,肖军.复合材料纤维铺放技术与应用[J].纤维复合材料,2002,19(3):39-41.
[2]刘恒娟.基于PMAC的开放式数控系统的研究[J].组合机床与自动化,2004(2):84-86.
[3]王隆太,李吉中,李雪峰,等.基于PMAC开放式数控系统的开发研究[J].扬州大学学报,2003(2):38-41.
纤维铺放虚拟PLC控制系统设计 篇2
1 纤维铺放虚拟PLC控制系统总体设计
纤维自动铺放的虚拟PLC控制系统主要分为两个部分:上位机是虚拟PLC控制系统的设计, 而下位机则是虚拟模型的可视化显示和虚拟控制的设计, 同时在该设计中通过对通讯方式的了解和分析决定选用串口通讯的方式进行上下位机数据的有效传递。
上位机的虚拟PLC控制系统主要实现对STL控制代码的读取和编辑并显示其在对话框中的作用;实现对已经读取或编辑完成的STL代码进行有效信息的筛选和存储;对已经提取保存的有效信息进行逻辑分析和处理, 可以通过PLC运行仿真模块对所设计的PLC程序进行验证, 对出现不符合理论要求的程序进行改进并再次验证;将仿真结果无误的程序通过串口通讯的方式发送到下位机软件的功能。而下位机的主要功能是实现了接收和有效分析处理上位机串口模块所传递的控制数据, 并通过三维模型的运动状况的可视化显示验证所设计程序的正确性;控制面板模块通过所接收的控制信息驱动可视化三维模型;可视化显示模块则通过VC++和Open GL技术对STL格式的三维模型进行可视化显示并在接收运动控制指令时进行相应的运动过程并显示在该模块中。
2 虚拟PLC控制系统的设计
虚拟PLC控制系统的设计是该整体设计中的关键部分, 关系到数据如何驱动纤维铺放模型在虚拟平台上的运动, 使其按照所设计的要求和需要实现的功能进行可视化显示。在该模块设计中将上位机即虚拟PLC控制系统整体可分作四个模块:PLC指令读取和和指令编辑模块、PLC有效信息指令提取模块、PLC运行仿真模块、上位机串口通讯模块。
2.1 PLC逻辑算法解释
二叉树是数据结构的一种, 其组成形式是由n个节点构成的有穷集合, 并且每个结点至多仅有两棵子树, 左子树、右子树, 而且他们的次序不可以改变。其中只有一个特殊的节点被称作树根或者根节点。遍历是指将树的所有结点访问且仅访问一次。二叉树的遍历根据根节点遍历顺序的不同分为前序遍历、中序遍历和后序遍历。在我们以梯形图或者指令表等方式进行编写PLC控制程序后, PLC程序内部编译器需要对所编写的程序进行数据处理而得到我们所设计的输出结果从而可以达到驱动模型的目的, 而PLC对数据的处理是与二叉树数据结构的后序遍历的数据处理方式相似。
2.2 虚拟PLC仿真运行
PLC仿真的作用就是对PLC指令的应用状况进行即时的监测, 将PLC的输入输出实时的变化反应给操作者, 这样操作者就可以根据所显示的输入和输出的状态和程序理论应达到的结果进行对比, 对PLC所编写的程序进行测试和验证, 及时改正编写时出现的错误, 为硬件应用奠定理论基础, 因此PLC仿真运行是不可缺少的组成部分。将输入触点和输出触点分别保存到对应的二维bool数组中, 二维数组的参数分别表示其触点的字和位。将保存触点状态的数组初始值都设定为False, 表示所有输入触点和输出触点均未被触发。在输入触点部分, 我们通过MFC自带的控件添加了复选框和可以变化的图像对每一个输入触点进行表示, 首先选中需要触发的输入触点的复选框, 然后点击启动按钮, 则该输入触点相应的图像颜色进行改变表示该触点已经被触发, 此时经过已经编译好的逻辑运算过程对PLC程序进行解释, 当再运行过程中某个输入输出触点状态发生变化时, 其相对于的数组bool值也发生变化, 并将输出触点的变化赋给相应的输出bool数组。在输出触点部分则同样添加了可变化的图像表示其触点的变化, 如果其bool值发生改变, 即由初始的0变为1, 则代表该触点被触发, 通过图像的直观改变可以看到输出触点的状态。复位按钮则可以将已经实现设计所体现的触点状态全部复位, 恢复到初值状态, 保证新的程序的运行和验证。
3 虚拟PLC系统通信原理
为了实现与下位机中可控的纤维自动铺放设备的三维模型进行信息的交互, 本设计中我们选用串口通信的方式。而对于串口通讯, 一般采用多线程串口CSerial Port类和MSComm控件两种方式, 完成基于串口程序的编写。多线程串口编程工具CSerial Port类是由Remon Spekreijse提供的免费串口类[5], 与MSComm控件编写串口通讯的方式相对比, 可以减少我们在框架编写的复杂程度, 而且这个类打包时, 不需要再多余加入其它的文件, 而且所含有的函数都是可知的, 允许我们根据我们设计的要求进行进一步的改造, 通过对这个类进行必要的改造, 可以帮助我们完成所需要的设计任务。我们在该设计中选用多线程串口CSerial Port类进行串口通讯模块的编程设计。
在利用多线程串口CSerial Port类完成对串口通信框架的搭建和编写后, 需要考虑按照规定的格式从串口发送出去数据及从接收到的数据中提取重要信息, 基于该目的, 需要通过编写串口通讯协议来满足设计中的要求。在普遍被接受的用户层协议中, 我们可以将协议分为两大类, 即完整型和简单型协议。在纤维自动铺放的虚拟PLC控制系统的设计中, 下位机所接收的信息主要是用来驱动可视化的三维模型, 使其按照指令进行运动的仿真过程。而根据两种用户层协议特点的对比, 选用简单的自定义通讯协议来编写串口通讯所需要的协议。
4 纤维铺放虚拟PLC控制的实现
4.1 铺放机模型的可视化显示
因为纤维铺放机的结构相对比较复杂, 其中零件较多而且装配关系相对繁琐, 显然不适用于传统设计方法。而对于较复杂的三维模型, 我们则可以借助第三方软件来辅助我们进行设计显示, 这样模型的完整性和真事性可以通过更好的处理。所以选择首先在三维软件中对纤维自动铺放机进行三维建模和处理, 因为需要在Open GL环境下进行可视化显示, 将所设计好的模型以固定格式进行导出, STL文件作则为快速成型中主要使用的、由大量的三角面片连接所组成的一种文件。其模型的精度随三角面片的数量增加而增加。STL格式文件只包含三角面片的基本信息, 而并不含有材质、颜色、光照等附属信息, 因此对其信息的提取也相对容易同时也能很好的体现三维模型的状态, 所以在设计中选用STL格式导出。随后在Open GL环境下再通过内部函数的调用对所需要导入的模型格式进行解释, 最终实现三维模型的可视化显示。
4.2 纤维铺放虚拟PLC控制的具体实现
下位机根据接收并拆包上位机所打包发送的数据信息驱动可视化的三维模型运动, 三维模型的运动则通过控制接口状态的改变和相应函数参数的改变而相应的变化。在下位机整体设计中除了下位机的通讯端口外, 还设计了运动控制面板用来显示虚拟输入端口的状态, 通过对上位机发送来的数据包进行拆包, 将所设计的输入端口的状态通过改变控制接口bool值的状态在控制面板上进行及时显示。
5 结论
本文对纤维铺放虚拟PLC控制系统进行了设计, 并在VC++平台上进行了程序的开发。选择以虚拟串口的方式建立上位机和下位机的通讯通道, 并且对上位机和下位机分别进行了功能解释并加以实现。所设计的虚拟系统可以在条件成熟下可以实现对硬件系统的有效替换, 通过虚拟的PLC来控制其运动, 这样可以在脱离硬件的情况下完成对纤维自动铺放机模型的驱动, 可以更直观的在虚拟平台下观察到纤维自动铺放机的运动规律以及工作状态, 为实现其的生产应用以及后续的研究奠定坚固基础。
摘要：PLC技术是现代工程控制领域中最主要的应用技术之一, 虚拟PLC技术则作为硬件PLC可编程控制器的有效替代技术, 在控制领域拥有着越来越重要的地位。与此同时纤维自动铺放技术是复合材料制造领域中的关键制造技术, 不仅能够合理降低加工成本, 提高加工质量而且有益于纤维复合材料的广泛应用。纤维自动铺放运动过程的实现除了依附于硬件的支持, 仍需要通过软件平台的建立对其运动过程进行验证, 虚拟技术的实现则可以在生产加工前在虚拟平台上对机械设备进行合理仿真验证, 尽量避免在生产实践中出现问题, 导致加工不合理、工作效率低下等后果。对纤维自动铺放的运动过程进行虚拟PLC控制系统设计, 为纤维铺放机的运动的实现提供了理论基础和直观验证, 为后续的生产实践奠定基础。
关键词：VC++编程平台,虚拟PLC技术,串口通信技术,纤维铺放机
参考文献
[1]王志辉, 吕佳.纤维铺放头机构的研究[J].机械工程师, 2007 (12) :93-94.
[2]Erickson, K.T.Programmable logic controllers.Potentials, IEEE.1996, 15 (1) :14-17.
纤维铺放 篇3
1 热塑性复合材料纤维铺放工艺
纤维铺放根据铺放材料宽度的不同,分为纤维带铺放和纤维丝铺放。前者由于纤维带宽度较大的原因适合用于复合材材料构件平面类结构的连续成型,也可用于简单曲面结构的成型[6]。后者由于纤维丝的宽度小可用来加工大曲率复合材料构件,目前,纤维丝最多可同时铺放32根,这些纤维丝组成的“带”最大宽度可达102~406mm,因此,也适合加工平面类构件或曲率较小的构件[7]。纤维带铺放与纤维丝铺放的铺放工艺基本相同,本文将以纤维丝铺放为例来对铺放工艺进行论述。图1所示为纤维铺放工艺简图。从图1可以看出,纤维铺放成型过程中,预浸丝束需依次通过预加热区、空气冷却区、主加热区、熔合区、空气冷却区和特定冷却区共六个区域[8]。对预浸丝束进行预加热的主要目的是提高纤维铺放速率;对其进行主加热的目的是使预浸丝束上预浸料熔化,使其具有一定的流动性与黏弹性,为后面铺层间的完全熔合提供前提条件;在熔合区,在压辊压力作用下,预浸丝束与之前的铺层(或芯模表面)黏合成一体;完成粘合后的铺层进入特定冷却区完成最终的冷却固结。设置特定冷却区而不采取自然冷却方式的主要原因是纤维束基体材料需以一定的冷却速率固结才能达到所要求的强度指标。由于预加热区与主加热区,主加热区与特定冷却区之间不可能紧密相邻,因此,在此之间必然存在两个空气冷却区,虽然这两个空气冷却区区间很小,但对温度的变化会产生较大的影响,不能忽略不计。在铺放成型过程中,主要涉及预加热、主加热、冷却、铺层间紧密接触、铺层间熔合、铺放压力及残余热应力七个方面的问题,这些问题的解决和处理又涉及一系列的相关学科,如传热学、结晶动力学、热力学、布朗运动及扩散现象、牛顿流体力学等,纤维铺放工艺如图2所示。对涉及上述学科的相关铺放工艺进行研究,可以为铺放中各项工艺参数的设定建立理论依据,通过理论数据与实验数据的对比优化,就可确定最优的铺放工艺参数,最终达到复材构件所要求的各项技术指标。下面将对铺放过程中涉及的七个问题进行分类论述。
2 纤维铺放中的加热工艺
纤维铺放过程中的加热工艺包括预加热工艺和主加热工艺两项。主要涉及加热温度的确定,热源的选择和加热模型的建立三方面内容,涉及的物理现象主要是热传递现象。
2.1 加热温度的确定
目前,纤维铺放中使用的炭纤维增强热塑性复合材料具有较高的加工温度,例如APC-2(Carbon/PEEK),其工艺温度为382~399℃。采用预加热技术,一方面,可以显著缩短主加热所需的时间,提高纤维铺放速率;另一方面,又可避免无预热时,铺层啮合点处温度在短时间内由于温度梯度变化过大,而引起过多的残余应力。预加热时,需保持基体材料原有的物理化学性质,因此,预加热温度通常选取略低于基体材料玻璃转化温度的值[9,10]。主加热的目的是使基体材料熔化,使其具有一定的流动性和较低的黏弹性,在压辊压力的作用下,预浸丝束基体材料与铺层基层材料发生良好的融合。主加热温度的选择除了要高于基体熔化温度外,还要考虑到基体退化对铺层质量产生的影响,因此,主加热的温度应选取基体材料熔化温度与退化温度之间的值。这样,既可保证基体材料完全熔化,又可使基体材料不发生化学反应,避免影响铺层质量。
2.2 热源的选择
热源的选择,通常需要结合具体的应用场合,主要从热源自身的价格、质量、体积、加热时间和热利用率等几个方面加以考虑。目前,应用在纤维铺放中的热源主要有激光热源、红外线热源和高温气体热源三种。激光束热源加热时间极短,但受自身价格、质量和体积的影响,适用于对加热空间和价格没有限制的场合;红外线热源适用于对加热时间要求较低,同时对价格要求尽量低的场合;高温气体热源适用于要求加热时间较短,同时加热空间又很小的场合,但高温气体热源的最大缺点就是能量的利用率太低[11]。在文献[12]中还将热流体作为热源进行了研究,其最大的优点是可循环利用,极大地提高了热源的热利用率,但由于其可实施性较差,并未被广泛使用。因此,在实际铺放过程中,主要参考上述三种热源各自的优缺点及纤维铺放工艺的特点,来合理灵活地选择加热方式。
2.3 加热模型的建立
目前,工业上使用的预浸丝束的标准宽度为3.2,6.4,12.7mm三种型号,预浸丝束的厚度在0.1~0.3mm之间。当热源垂直于预浸丝束表面加热时,根据热力学第一定律,考虑热量传递方向,可建立一维、二维或三维的热传递模型。同时,根据热源的不同,铺放设备及周围的实际环境,确定相应的热传递方式,建立热传递模型的边界条件。鉴于热传递模型及其边界条件的复杂性,多数情况采用有限元的方式对模型进行数值求解,来研究不同时刻,温度在纤维束中不同位置的分布情况以及时间、温度、位置三者之间的关系。
考虑到热量主要沿厚度方向传递,而沿宽度和长度方向的热传递很少,Colton,Pitchumani,Munki等进行了一维热传递模型的研究[13,14,15]。其中,Colton建立了热塑性复合材料纤维缠绕/铺放的一维热传导模型,考虑的热传递方式为热对流和热辐射,得出了纤维缠绕速率为最主要的工艺参数的结论。Pitchumani建立了热塑性复合材料纤维铺放的一维热传导模型,同时还讨论了铺放过程中铺层基体的熔合与基体的退化等问题。Munki则分别以高温气体和热流体作为热源,对纤维铺放一维热传导模型进行了讨论,同时,还进行铺放压力的研究。
考虑到热量主要沿厚度与宽度方向传递,而沿长度方向的热传递很少,可忽略不计,Grove,Chasemi Nejhad,S.Turnkor进行了二维热传递模型的研究[16,17,18]。Grove建立了纤维带铺放二维热传导模型,采用激光热源,讨论了温度对铺放工艺的影响。Chasemi Nejhad建立了纤维带铺放的二维热传导模型,分别求其解析解与数值解;同时,对铺放速率,热密度,热源宽度等铺放工艺参数进行了讨论。S.Turnkor建立了纤维带铺放的二维热传导模型,通过有限元的方法求其数值解,并将数值解与其他文献中实验值进行了对比,验证了此模型的实用性。
加热温度,加热热源,加热模型三者共同决定了加热时间,而铺放速率主要由加热时间所决定。因此,在上述三者确定的情况下,可以计算出铺放速率的理论值范围。
3 纤维铺放中的冷却工艺
用于制造飞机复合材料构件的炭纤维增强热塑性复合材料其基体材料属于半结晶聚合物。在这类聚合物兼有无定形聚合物和结晶聚合物的优点,其分子结构中,一部分能量较低的重复单元分子结构有序排列,形成密实的结晶部分,另一部分能量较高的结构单元呈无规卷曲状态[6]。半结晶聚合物的使用温度、抗蠕变性、硬度和强度主要受结晶度的影响,随结晶度的增大而增大,但结晶度过高,又会使聚合物变脆[6,19]。因此,在实际应用中,需严格保证半结晶聚合物成品的结晶度,才能保证产品质量。在纤维铺放过程中,冷却工艺决定了复合材料构件的结晶度值,当预浸丝束通过熔合区完成铺层间的熔合后首先通过区间很窄的空气冷却区,随后进入到特定冷却区,在这个区域,铺层基体材料将完成其最终的结晶固化。在冷却过程中,冷却速率和冷却时间是影响最终结晶度的两个重要参数。这里将涉及传热学和结晶动力学两个学科知识的交叉。
3.1 冷却参数的选择
对于半结晶聚合物,其各项性能主要受结晶程度和结晶状态的影响。结晶速率是材料结晶程度和结晶状态的显著影响因素,而冷却速率及冷却时间决定了结晶速率。因此,可以得出,冷却速率和冷却时间是冷却工艺中最为关键的两个参数,它们将影响最终的产品品质。因此,在纤维铺放过程中,应合理选择和严格控制这两个参数[20]。合理的冷却速率主要是通过大量实验数据得到的。首先,应用在纤维铺放中的纤维增强热塑性复合材料的基体材料,其性能最优时所对应的结晶度值的范围应该是材料制造厂商提供的;其次,在已知最优结晶度值范围的基础上,需要设定冷却条件,如等温冷却或以一定的冷却速率冷却,然后通过实验得出在此条件下的基体材料的结晶速率;最后,在得到冷却速率与结晶速率之间的关系之后,需要根据实际情况建模,计算在此冷却速率下,达到要求结晶度所需的时间,这个时间也就是在纤维铺放过程中铺层需要在冷却区所停留的时间。结晶速率的测定方法通常有膨胀计法、光学解偏振法、DSC法、热台偏光显微镜法、小角激光光散射法等[20]。
3.2 冷却模型的建立
将计算仿真与实验研究相结合来研究纤维铺放的冷却工艺,可以在较短时间内预测产品的最终性能,得到较为合理的冷却工艺参数,对实际生产有很强的指导意义。冷却过程涉及材料的相变,结晶化,热传导等物理现象,冷却模型的建立是将结晶动力学模型与能量模型相耦合,通过设定温度、材料的密度、黏度、热传导率,热熔等物理参数,同时设定符合实际情况的边界条件,利用现有的多物理场仿真软件得到达到某一结晶度的条件下,冷却速率与冷却时间之间的关系。
冷却模型建立的关键是结晶动力学模型的建立,其中,基于Avrami方程的模型以被众多学者进行研究,基于Tobin方程建立的模型,用来预测等温条件或非等温条件的晶体生长也被广泛的研究[21]。Tobin方程考虑了的均匀成核和非均匀成核对结晶度的影响,而Avrami方程则认为基体材料被完全熔化,不存在成核现象[21]。此外,Ozawa模型应用在非等温结晶动力学也被研究。合理的结晶动力学模型的确立需要通过实验的方式,目前,最为常用的实验方法是示差扫描热量法(DSC)。
冷却模型建立所需的能量模型,即符合能量守恒定律的能量方程,M.hamed Boutaous等人将Avrami等式与能量方程相耦合,通过多物理场仿真软件comsol进行计算,得到了冷却速率与冷却时间之间的关系[22]。同时,将仿真得到的理论数据与已报道文献中的实验数据加以对比,证明了理论模型的正确性,说明了此理论模型可用于指导实际生产。
通过求解冷却模型得到的冷却时间是决定纤维铺放速率的又一重要参数。如铺放速率过大,将会使基体材料的结晶度值过小,使最终产品的硬度、强度、抗蠕变性变差,达不到产品所要求的指标。而铺放速率过小,又将使最终产品的韧性变差,同时增加加工时间。在加热工艺中介绍到,加热时间也是决定铺放速率的一个重要参数,但纤维铺放过程中,铺放速率只能是一个值,当由加热时间所计算的铺放速率与由冷却时间所计算的铺放速率不一致时,可以通过调整加热区间的长度或特定冷却区间的长度来达到二者速率的一致。
4 纤维铺放中的铺层间强度
纤维铺放过程中,设定合理的加热工艺参数和冷却工艺参数可以保证复合材料构件基体材料的性能达到所要求的性能指标,但复合材料构件最终的性能是否满足要求,还与铺层间强度有关,即与第n个铺层和第n+1个铺层熔合后所能达到的铺层间强度有关。铺层间强度受两铺层间紧密接触程度、两铺层熔合时分子渗透距离及纤维铺放压力三方面因素的影响。
4.1 铺层间紧密接触
铺层间紧密接触度的定义是在任意给定时间,两铺层接触面积占铺层面积总面积的百分比,与温度、压力、接触时间有关[23]。图3中Ⅰ所示为预浸丝束表面与铺层表面(或芯模表面)的微观几何形貌示意图,由于两表面表面粗糙度的原因,预浸丝束与铺层表面(或芯模表面)开始时不可能完全接触。Dara和Loos等将预浸丝束和铺层表面(或芯模表面)的微观几何形貌用大小不同的矩形来描述,如图3中Ⅱ所示。Lee和Springer等鉴于上述描述使用不方便,将大小不同的矩形简化成大小相同的矩形来描述预浸丝束和铺层表面(或芯模表面);如图3中Ⅲ所示[24,25]。在纤维铺放过程中,在温度一定时,当压辊对预浸丝束施加一定的铺放压力后,预浸丝束与铺层表面(或芯模表面)的突起的矩形将发生变形,矩形高度将减小,宽度将增大,变形后的矩形如图3Ⅲ中虚线所示。上述研究人员仅根据各自的简化模型讨论了温度和压力对铺层间紧密接触度的影响,而Mantell和Springer在上述简化模型的基础上,将接触时间的因素考虑进去[26]。前面的研究存在一个共同的缺点,就是没有将现行的粗糙度评价指标与计算模型相结合,在实际应用中存在一定的不便。如何将现行的粗糙度评价指标与计算模型相结合,将是今后需要研究的一个问题。
4.2 铺层间熔合
相邻两铺层表面,当加热到温度高于自身基体熔化温度时,并在一定的铺放压力作用下,会发生一铺层表面的分子向另一铺层扩散的现象,这种现象称为铺层间的熔合[23]。分子扩散的距离决定了铺层间强度,这与温度、压力与扩散时间有关,用来描述此现象的模型是建立在链的塌滑理论基础上的[27,28]。早先的研究主要集中在等温条件下热塑性聚合物间的熔合,如De Gennes P和Doi M,接着Bastien将研究扩展到非等温条件,后来Yang F发现Bastien模型中不合理的地方,并对非等温条件下的熔合模型进行了更为合理的研究[27,28,29,30]。铺层间熔合模型研究的关键是建立铺层间强度与铺放温度,铺放压力之间的函数,找出熔合所需的最佳时间,为纤维铺放过程提供压辊压实的时间参数。
4.3 纤维铺放压力
纤维铺放过程中,铺层间的紧密接触与熔合都与铺放压力有着密切的关系。因此,需要对压辊及所接触铺层进行压力场建模分析。当预浸丝束通过压辊后,其厚度和宽度都将发生变化,厚度减小,而宽度增大,在长度方向的变化可以忽略不计。根据上述变化,Ranganathan等建立了二维的可压缩的牛顿流体模型;Pitchumani预测了压辊及所接触铺层的压力场分布分析[14]。在建模过程中,涉及流体力学,动量方程及能量方程相关知识。此外,铺放压力还会影响到铺放材料的孔隙率,关于铺放压力与空隙率之间的关系,目前所见文献仅通过实验的对其进行了定性方面的研究,关于这两者之间的定量关系今后还需要进行深入研究。
5 残余热应力
由于纤维增强热塑性复材的增强相与基体相的热膨胀系数不同,残余热应力在所有这类复合材料都是固有存在的,其存在直接影响了复合材料构件的各项性能及复合材料构件的结构设计。从以往的研究可以得出,残余热应力的研究主要集中在三个方面:首先,微观机械水平的研究,也就是增强相材料与基体相材料的研究;其次,宏观机械水平的研究,即铺层中残余热应力的研究;最后,整体研究,主要是针对由于铺层厚度引起的残余热应力的研究[4,31,32]。纤维铺放时,在铺放材料确定的情况,残余热应力与加工温度,特别是冷却速率有关,还与铺层的铺放角度和铺层数有关。目前,冷却速率与残余热应力之间的关系已相对清楚,对于不同的基体材料,呈现不同的变化趋势。例如,对于半结晶热塑性聚合物而言,残余热应力随冷却速率的增大而减小。而铺放角度与铺层数目产生的残余热应力对复材构件整体性能的影响的研究相对较少。这方面的研究可以在一定程度上指导复合材料构件在铺放过程中的轨迹规划。
6 结束语
纤维铺放的工艺是决定热塑性复合材料能否成功应用到实际当中,生产出合格复合材料构件的关键,是整个纤维铺放的核心技术。纤维铺放过程中涉及了很多的物理现象、物理参数,如何将这些参数合理的优化,最终得到合适的加工参数,是纤维铺放工艺研究的重点。在这些方面,国内的研究明显滞后于国外的研究,今后此方面的研究将任重而道远。
摘要：热塑性复合材料由于其良好的可焊接性、可循环利用性、抗化学腐蚀性,特别是短时间内就可加工成型等特点,在未来航空航天构件制造领域有着广阔的应用前景。纤维铺放过程中涉及一系列的物理现象,涵盖传热学、热力学、结晶动力学,牛顿流体力学等学科及这些学科的交叉领域。本文以上述学科的相关知识为理论依据,对纤维铺放工艺中的加热工艺,冷却工艺,铺层间强度,纤维铺放压力和残余热应力五方面内容,通过分析其理论模型的建立和求解方法,介绍和讨论了纤维铺放过程中与最终产品质量相关的基体材料结晶度、铺层间紧密接触程度、铺层间熔合度等关键问题及其中涉及的铺放温度、铺放速率、铺放压力等主要工艺参数。同时,本文还总结了国外的研究成果和研究进展,指出其中存在的一些问题,并对今后纤维铺放工艺的研究方向进行了展望。