纤维铺放机纤维预热温度控制.docx
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纤维铺放机纤维预热温度控制
课程设计
题目：
纤维铺放机纤维预热温度控制
学院：
机电工程学院
班级：
10级机自02班
姓名：
郭腾飞
学号：
41002010212
指导老师:
屈萍鸽
时间：
2014年1月4日
纤维铺放机纤维预热温度控制
摘要
纤维增铺放成型技术是在干工迭层铺放和纤维缠绕工艺的基础上发展起来的一种机械化、自动化成型工艺。
在纤维铺放成型技术中，主要由铺放头来实现纤维的铺放、剪初和再送纱。
文中设计了一种能够根据需要加纱和剪初纱线的铺放头，并对整个铺放过程进行了仿真。
从不同角度研究了加热与冷却工艺参数对制品质量和效率的影响。
首先，在确定了纤维铺放的基本加工工艺路线的基础上，建立了纤维过程中的二维热传递模型，并利用微分方程构建了有利于有限元分析的边界条件，通过ANSYS软件的求解，获得了铺层基层及预浸带的温度场分布情况。
其次，通过对铺层基层及预浸带的热传递分析，确定了纤维铺放成型过程中的安全加热温度，以及安全加热温度下的最高加工速度。
针对对加热过程中采用高温气体热源引起的预浸带和铺层基层的边缘与中间加热长度不一致性的现象，提出了既要保证预浸带的边缘被加热到熔融温度以上，又要使预浸带中间温度不超过树脂基体的降解温度的温度准则。
并在综合考虑熔合时间、熔合长度、玻璃化温度、熔融温度、达到玻璃化温度以上层数等成型要素的前提下，分析了成型速度、加热长度、加热温度、预浸带和铺层基层不同加热长度以及不同热源等加工参数对铺层基层温度场分布的影响。
关键词纤维铺放机，铺放头，计算机仿真，OpenGL，热塑性，加热，冷却
目录
第一章概述………………………………………………………………1
1.1纤维铺放机的描述和发展趋势……………………………………1
1.1.1纤维铺放机的描述…………………………………………………1
1.1.2纤维铺放机的发展趋势……………………………………………1
第二章纤维铺放机构设计…………………………………………1
2.1铺放机…………………………………………………2
2.1.1铺放机的结构……………………………………………………2
2.1.2铺放机的工作原理……………………………………………………2
2.2铺放头…………………………………………2
2.3剪切送纱机原理……………………………………………………3
第三章纤维预热温度控制…………………………3
3.1加热与冷却工艺参数选择…………………………5
3.1.1铺放工艺路线……………………………………………………5
3.1.2加热温度的确定……………………………………………6
3.1.3热源类型的选择………………………………………………………6
3.2工艺路线的简化………………………………………………………7
3.3加热与冷却数学模型…………………………………………………8
3.3.1建立几何模型…………………………………………………………8
3.3.2基本假设……………………………………………………8
3.4温度对温度场分布的影响分析……………………………9
3.4.1分析结果与实验数据对比……………………………………10
3.4.2安全加热温度……………………………10
3.5热源温度的影响……………………………………………10
3.6不同热源的影响………………………………………11
3.6.1圆形热源的影响………………………………………………11
3.6.2不同热源的影响…………………………………………11
3.7预热的影响……………………………………………………12
3.7,1理想预热的影响……………………………………………13
3.7.2预热温度的影响…………………………………………………15参考文献…………………………………………………………………………16
第一章概述
1.1纤维铺放机的描述和发展趋势
1.1.1纤维铺放机的描述
传统的复合材料织造自动化机器是纤维缠绕机（FWM）。
它使预浸丝束在有
一定张力的情况下,通过丝嘴沿纵向缠绕在旋转的芯模上。
其缺点是只能缠绕回转体，且丝束的走向只能沿着芯模的测地线。
否则在缠绕过程中纱线会滑移。
而且由于丝嘴要往返运动。
为了方便回纱，在制品的两端会产生不必要的堆积，造成浪费。
1.1.2气压传动技术的发展趋势
纤维铺放成型技术（FP）是在手工迭层铺放和纤维缠绕工艺的基础上发展起来的一种机械化及自动化成型工艺。
西方少数发达国家早在1980年代末开始研究开发FP技术,现在已应用于工业生产。
目前全世界有20多台纤维铺放设备在运转。
该项技术及装备在我国目前尚属空白,国内复杂的FP制品基本上以手工铺层为主,其生产效率低、铺层质量不稳定、材料利用率低、制造周期长、费用高,制约了我国FP构件制造技术的发展和水平的提高。
FP在航空、航天领域的应用越来越广泛,如运载火箭发动机的壳体、喷管、鼻锥,飞机的机翼、尾翼、旋翼等。
为了满足我国航天、航空工业对FP构件制造的需求,研究开发具有我国自主知识产权的纤维缠绕/铺放技术及设备已成为亟待研究的课题。
第二章纤维铺放机机构设计
2.1铺放机
2.1.1铺放机的结构
如图1所示,整个铺放设备一共有8个运动轴,6个在铺放机上,包括3根直线运动轴（X,Y,Z）和3根转动轴（A,B,C）,还有2个轴在铺放头内分别负责输纱和剪切。
它是在我们所研制的五轴数控缠绕机的基础上改进而来的,所有的轴都是在计算机的控制下协同运动,实现在芯模9的表面上自动化铺放。
2.1.2铺放机的工作原理
在铺放机的底座1上固定有两条导轨2,在其中一边的导轨底面上镶有齿条,小车3上装有齿轮与之啮合,在伺服电机的带动下,小车3可沿导轨往返运动,我们把导轨的方向定为Z轴。
在小车3的垂直支撑板的一侧镶有齿条,升降台4通过爬升轮与齿条啮合实现上下运动,这就是Y轴。
在转臂5的水平支撑板的下面也镶有一根齿条,而纱架6上的电机通过一个小齿轮与之啮合,从而实现纱架6的沿X轴的前后运动。
转臂5通过一根轴与升降台4上的轴承座相连,在电机的带动下,使转臂以及其上的纱架和铺放头可绕Z轴转动,这就是A轴0铺放头7通过一根销轴与纱架相连,同时铺放头7可绕销轴转动,这就是B轴。
C轴就是芯模在主轴箱8的带动下绕X轴的转动。
为了简化控制程序的难度,我们可以把要铺放的产品分为两类:
（1）对于回转体,可以事先使用手动把铺放头调整到芯模回转中心线的高度,在铺放过程中,只需控制铺放机上的其它5根轴以及铺放头内2个轴即可完成对回转体的铺放。
本文后面的仿真程序就是针对圆锥体的铺放过程进行的仿真。
（2）对于非回转体,可以手动把芯模上需要铺放的面转到面对铺放头的位置,在铺放过程中C轴不需要转动,只需控制其它轴联动即可。
2.2铺放头
它是整台铺放设备的核心机构,它的作用是把单独的4组纱线均匀紧密的铺放并压紧在芯模的表面,并且每一组纱线要实现独立的送纱和剪切。
图2所示是剪切/送纱机构总体结构图。
它分别由上下两组剪切/送纱机构组成,上下两组机构分别间隔地输送两根纱,它们之间的间隔等于一根纱的宽度。
上下两组纱线分别交错间隔排列,通过剪切/送纱机构后分别进入上下导向槽。
上下导向槽就是在一块三角形铁块的上下两个面上分别铣削两条狭长槽，槽宽与纱线宽度相等，上下槽的位置也是交错平行排布，最后4条导向槽在三角形末端汇合成为一个狭长的出口，其宽度正好等于4根纱线的宽度，然后在其上下面覆盖上铁板使其封闭。
上下导向槽的入口紧挨着剪切压紧铁砧，出口紧挨着压紧轮。
这样经过导向槽重新排布的纱线组就可以由压紧轮直接压在芯模表面上。
2.3剪切送纱机原理
如图3所示是上半部分剪切/送纱机构的结构简图。
在一般情况下，纱线14通过变向辊13，到达输纱辊11。
输纱辊11是一个常转辊，它的转速是由程序设定的铺放速度确定的。
当纱线经过输纱辊11时，压纱辊12把纱线紧紧的压在输纱辊11上，利用产生的摩擦力拉动纱线前进，通过剪切刀进入导向槽9，实现送纱功能。
当其中一根纱需要被剪断时，由计算机发出指令，驱动由电磁阀控制的气缸1向前推动活塞叉杆2，通过曲柄连杆3带动三角联动块5绕定位销轴4作逆时针转动。
这样，压纱辊12首先与纱线和输纱辊11脱离，纱线停止前进，与此同时三角联动块5通过连杆6推动剪切刀迅速向下运动剪断纱线，然后剪切刀继续向下运动，刀头进入剪切槽15内，其后部则与压紧砧1。
紧紧夹住被剪断的纱线头部，这样就实现了剪切功能。
当再次需要送纱时，由计算机发出指令，驱动由电磁阀控制的气缸1向后回缩活塞叉杆2，通过曲柄连杆3带动三角联动块5作顺时针转动，通过连杆6提起剪切刀7，松开被夹住的纱线，与此同时压纱辊12再次把纱线压在常转的输纱辊11上，纱线再次向前被送入导向槽，实现了再输纱功能。
第三章纤维预热温度控制
3.1加热与冷却工艺参数选择
根据纤维铺放的基本工艺过程，纤维铺放的加热和冷却过程是连续发生不可分割的，故加热和冷却过程同时进行分析和建模。
3.1.1铺放工艺路线
纤维铺放技术作为一种连续性的复合材料生产制造方法，在工业止的应用前景十分广阔，其制造成本低，生产效率高。
在热塑性复合材料纤维铺放的过程中，通常利用铺放头的移动将预浸带铺放到芯模或者模具的表面上，铺放头由加热热源和压辊组成，加热热源为材料的成型提供能量以达到熔化温度，压辊提供成型必需的压力，使预浸带与基层充分接触。
由于热塑性复合材料纤维铺放是在铺放的过程中直接成型的，后续无需再次固化，其在热源提供的热量下达到熔化状态，然后直接在压辊的压力下成型固化，并伴随着快速的冷却，也称为“原位固化”技术。
根据上述需要，确定其基本加工工艺路线如图3-1所示。
从图中可以归纳出铺放成型过程分为6大区域，执照加工的顺序分别为：
预加热区、空气冷却区、主加热区、熔合区、空气冷却区、特定冷却区等。
对铺层进行预热的主要目的是提高基层的温度，这样可以缩短主加热的时间，可以提高铺放速度，同时由于加热的整体区域变长了，同等冷却条件下需要的冷却时间增加了，一般来讲会增加材料结晶的时间。
主加热将预浸带和基层同时加热到熔融温度以上，使材料获得一定的流动性和粘弹性，为铺层间的熔合提供必要的条件。
在熔合区，预浸带在压辊压力作用下与基层表面的熔化区，相互渗透、相互扩散，然后熔合在一起。
冷却源则用于把刚刚熔合的铺层材料降温，使其降低到玻璃化温度以下，同时满足结晶度的要求。
两个空气冷却区是由于预加热区和主加热区之间、熔合区和特定冷却区之间没有紧密连接在一起而存在的区域。
其中主加热区、熔合区、特定冷却区是必不可少的，而预加热区和空气冷却区可根据实际的加工环境及要求进行取舍。
3.1.2加热温度的确定
加热温度是与树脂基体材料紧密联系的。
常用的性能改性好的热塑性树脂基有聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亚胺（PEI）等，PEI与PEEK相比，机械性能相当，最高工作温度稍高一些，但其性能的可设计性更好，且存在多种聚合方式。
常用的增强材料有玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等。
根据纤维的长度不同可分为短纤维增强、长纤维增强和连续纤维增强。
适合于纤维铺放的最佳纤维为连续纤维增强的材料。
不再对材料本身做过多的研究，选择连续碳纤维增强的聚醚酰亚胺为铺放材料。
热塑性树脂相比热固性树脂，具有较高的玻璃化温度和熔化温度，为了使热塑性复合材料在铺放的过程中能够熔合在一起，至少要将预浸带和基层铺层加热到熔融温度以上，热塑性PEI熔融温度在338℃-358℃之间，这与其分子量有关，也与其聚合时采用的方法有关，但是推荐加工温度要稍高于熔融温度，热塑性PEI推荐加工温度在357℃-385℃之间。
由于铺放成型时加热过程比较短，加热时间也比较短，考虑到热量的传递有一定的延迟性，因此预浸带及基层表面要达到更高的温度以使得它们能够更好的相互渗透和扩散，以获得质量合格的铺层。
但是热源的加热温度不能无限的提高，树脂在高温环境中由于共价键的断开与重建导致其性能不稳定，宏观表现为材料的性能明显下降，称之为降解。
PEI的降解温度在570℃-590℃[37]。
因此，加热热源的要能使能材料表面达到降解温度附近。
考虑到加工速度的影响，需要的热源温度可能会更高，因此要求热源温度最高温度可达到600℃左右。
3.1.3热源类型的选择
目前，应用在纤维铺放成型中的热源主要有三种：
高温气体热源、激光热源和红外线热源。
Hassan，Thompson和Batra[32]在分析中应用了高温气体热源和激光热源，指出高温气体热源适用于加热时间比较短的场合，气体的存储与发射装置可以分开，发射装置可以做的比较小，但其热量的利用率比较低，要求加热范围比较大的场合不适合应用。
激光热源可以在短时间内提供大量的能量，适用于要求加热时间极短、加热区域不太大的场合，其加热范围很集中，但自身价格较高，不易保养和维修，另外本身重量和体积也比较大。
Blundell和Willmouth[38]利用一组红外热源实现了纤维铺放过程的加热，红外灯丝包裹在石英壳体内部，通过石英给纤维材料进行加热，当灯丝达到2360K的温度时，石英温度为730K。
由于存在着中间环节，温度的控制比较复杂，温度响应也比较慢，同时能量的利用率较低。
目前红外热源在纤维铺放领域的应用还不十分成熟。
通过以上的对比，高温气体热源与激光热源更适合于作为纤维铺放过程的热源。
由于常用预浸带的宽度多数在3.2mm-12.7mm之间，厚度在0.1mm-0.3mm之间，要求的加热范围较小。
考虑到铺放头还要带动热源一同移动，特别在铺放凹面时，要求热源体积尽可能小。
因此，高温气体热源是比较适合的。
由于目前激光热源的也有一定的使用，对激光热源也进行了分析。
3.2工艺路线的简化
本文主要研究热塑性复合材料纤维过程中的热传递现象，国外的研究人员已经给出了比较多的计算模型，但是由于每个分析过程基于不同的实际情况，例如使用材料有所不同、热源类型及其模型的不同、预热位置温度等不同使得最终的分析结果有较大的差异性，目前在纤维铺放过程中的热传递模型还没有一个一致的结论。
同时由于“原位固化”技术得到的制品与“热压罐”技术得到的制品在强度上的近10%的差异，需要针对纤维铺放过程中热传递的进行进一步的研究。
为了得出预浸带及铺层基层的温度场分布，并确定加工速度、热源加热温度等工艺参数对铺层基层温度场的影响，首先针对一个最基本的工艺路线进行分析，然后再在其基础上进行进一步的分析。
图3-2为简化后的纤维铺放工艺路线简图。
这个最基本的工艺路线中，并没有对预浸带及铺层基层进行预热，冷却方式采用Mantell和Springer[27]提出的将压辊作为冷却源和Nejhad，Cope和Güceri[28]提出的将模具和芯模作为冷却源的方式，同时考虑空气的冷却影响。
3.3加热与冷却数学模型
纤维铺放过程中，沿预浸带宽度方向上的加热一致性是获得一致性制品的必要条件，不一致的加热可能会导致铺层中间材料由于高温降解或者材料边缘由于不完全的加热而不能熔合的现象。
通常热源的加热范围足以覆盖预浸带的宽度，由于纤维铺放成型中使用的是单向预浸带，其长度方向恰好是连续纤维的方向，由于增强材料（碳纤维等）的各向异性，沿其方向的导热系数通常比较大，预浸带沿纤维方向上的导热系数为垂直纤维方向导热系数的5倍以上，而热量在预浸带宽度方向上的传递被认为是处处相同的。
因此，根据热力学第一定律建立了长度和厚度方向的二维热传递模型。
3.3.1建立几何模型
图3-4显示了纤维铺放过程的几何模型与控制体积、边界情况与坐标系统的位置等信息。
在这个几何模型中包含了模具或者芯模部分，因为在成型过程其与铺层基层间有不可忽略的热传递现象发生。
在分析的过程中采用模拟纤维连续性铺放的方法，而不是将速度赋予整个控制体积，将预浸带一次整体铺放成型的。
因此，将y轴设置在控制体积的左侧的边缘，正方向沿厚度方向竖直向上；将x轴沿基层上表面水平放置，正方向水平向右，与加工成型的方向相反。
这样坐标系统不随着铺层基层的厚度和熔合点的移动而移动。
l1表示熔全点到原点的距离，r1和r2表示压辊与预浸带的接触长度，压辊中心的x坐标与熔合点的x坐标并不重合，这是由于预浸带和铺层基层在压辊的压力作用下产生变形引起的[39]，r1和r2的大小取决于压辊的直径的大小、压辊的压力大小及预浸带铺放时与铺层基层的夹角等因素。
Whg为热源的加热长度。
为了分析过程的方便，在分析过程中将预浸带的方向水平放置，由于预浸带的边界条件没有变化，故这不会对最终的分析结果产生任何的影响。
值得注意的是在这个几何模型中包含了模具或者芯模，它与基层进行热传导换热，与空气进行自然对流换热，使得计算的结果更加的精确。
3.3.2基本假设
为了简化分析过程，更加突出各加工工艺参数对铺层基层及预带上的温度场分布情况，在简化的基本工艺路线的基础上给出如下的基本假设：
（1）假设铺层基层是铺放在平板上，或者曲率不是特别大的模具上。
对于回转体来说，只相当于基层预热到了一定的温度，后面对预热进行了详细的讨论。
由于铺放多数用成型比较大型的零部件，铺放下一层时在足够的时间将已经铺好的铺层冷却到室温[19,23,30]。
（2）假设铺层基层的纤维铺放方向是一致的，并且全部沿着y轴的方向，因为对于角度变化的铺放成型，对最终零件的机械性能的影响还没有一个一致的结论，所以假设纤维铺放方向是一致的。
（3）假设铺层基层的纤维没有空隙，没有相互重叠。
（4）预浸带是由纤维和树脂基体构成的复合材料，而纤维和基体材料的热
性能方面却有很大的差异，在分析中把它们做为一种性能稳定的整体进行分析。
（5）对比将材料从室温提升到熔融温度所需的热量，成型过程中机械变形产生或吸收的热量是微不足到的，将这部分能量忽略。
因此热分析可以与结构分析分开进行。
（6）假设在加热区域内加热条件是一致的，且基层表面与预浸带下表面有相同的加热条件。
在直接加热的区域内，高温气体温度相同且对流换热系数相同，激光热源具有相同的热流密度。
高温气体在材料表面的回流气流[38,40-41]和激光热源的反射的影响忽略不计。
（7）由于铺放过程中的局部的快速加热，加工成型会在很短的时间内达到准稳态。
压辊、模具与空气接触的表面保持为环境温度，由于压辊以及模具或芯模都是由45#钢制作而成的，其传热系数（45W/m℃）是非常大的。
（8）假设已成型的铺层基层的厚度与预浸带的累积厚度相同，即铺层基层的厚度为预浸带的厚度与已铺放层数的乘积。
在能量交换过程中还存在辐射换热，Tierney和Gillespie[42]指出铺放过程中辐射换热仅为对流换热的4%左右。
因此，将不再对辐射换热进行单独的计算。
3.4温度对温度场分布的影响分析
编写一系列的APDL代码，用于分析加工工艺参数对铺层基层的温度场分布的影响。
所有的分析都是在瞬态分析的基础止得到的结果，分析中发现铺层基层的温度场很快进入准稳态状态，一般时间在1s内或者在加工长度1mm内，就达到准稳态，因此，在下面的分析结果都选自能够清晰展示结果的位置或者时间点，这对于结果的表达没有影响。
同时需要注意的是，材料从右向左进行熔合，由于压辊与预浸带的接触长度r1的存在，使得熔合的开始点并不是在最右端，而是处于x=177mm的位置。
3.4.1分析结果与实验数据对比
首先将建立的模型的分析结果与文献中的分析方案进行对比。
Nejhad，Cope和Güceri也指出了其分析模型的局限性，其不能分析纤维铺放过程的工艺参数对温度场分布的影响，其分析采用了稳态的热传递模型来模拟纤维铺放过程，在预浸带与铺层基层之间没有设定边界条件，基层的上表面全部处于热源的加热之下。
其铺层基层采用了40层的厚度，材料使用的是APC-2（碳纤维增强的PEEK）。
输入的参数详见文献。
利用本文的热传递模型，采用文献中分析的方法及数据参数，进行成型速度为10mm/s的对比。
图3-5为当成型速度为10mm/s时分析结果与数值结果上表面温度曲线对比情况。
两条曲线几乎重合，温度差最大的地方出现在上表面，最大为10℃左右。
这与理论分析是相符的，上表面由于接受直接的加热，产生最大的温度梯度，同时也是温度差最易产生的位置。
然而最大相对误差仅在3%左右。
在上表面的下一层中，温度差变得更小。
同时也将分析结果与文献中的实验数据进行了对比，得到的温度曲线也是相符的。
其中分析结果为本文的计算结果，数值结果是文献中实验给出的数值。
3.4.2安全加热温度
在纤维铺放的过程中，常常因为模具或者芯模的外形曲率的变化，或者在铺放的开始、结束的位置，速度会有变化，因此成型速度不是一个固定的值。
首先需要确定安全的加热温度，无论加工过程的速度怎么变化，都不会引起材料的降解，导致不可恢复的破坏。
Sonmez和Hahn[30]通过建立一个关于降解动力学的模型来得到加工APC-2时的最大加热温度，其研究基于大量关于PEEK的降解数据和高速冷却数据，得到了最大加热温度在PEEK的降解温度之上的结论，此时材料表面并没有达到降解温度，不会引起材料的降解。
但是其得到是在某一速度下的临界加热温度，并没有考虑到速度的突然变化，这可能会引起铺层的降解或者不熔合。
因此，采用了一种严格的方法来界定安全的加热温度，同时由于铺放过程中材料处于高温的时间非常短，而其冷却速率又非常大，达到3000K/min，在这种条件下的关于PEI的降解分析几乎没有。
另外，当高温气体热源由于故障停留在某一位置进行加热时，应该留有足够的时间进行故障的确认，这段时间内必须保证加工的材料没有被降解。
假设这个时间为5min，这相当于加热长度为15mm的热源以0.05mm/s速度进行加工成型时的情况。
图3-6为热源温度为625℃时，铺层基层上表面位于x=130mm点的温度曲线。
此时上表面达到的最高温度达到了578.2℃，当热源的加热温度提高1℃时，上表面的最高温度将会达到降解温度以上。
计算得到此位置受热源直接加热的时间开始于为620s处。
此时如果加工成型速度增大，相应的加热时间变小，并不会引起铺层基层最高温度的提高。
因此，确定安全加工温度为625℃。
3.5热源温度的影响
根据上一节中得到的分析结果可以得知，当成型速度不是最高加工速度时，热源的加热温度可以采用低于安全加热温度的温度。
在此，把热源的加热温度从安全温度625℃降低到500℃，来分析热源加热温度对铺层基层温度场分布的影响，保持相同的成型速度：
5mm/s，其温度场的分布如图3-7所示。
将其与图3-6对比，输入参数只有热源的温度不同。
等温线所围成的区域几乎均匀变小铺层基层表面的熔合区域也变短了，但是由于成型速度比较小，熔合时间并没有显著减小。
只在铺层基层表面的最上一层被加热到了熔融温度以上，其它已经熔合层的机械性能将不会受到这次加热的影响。
此时同样能够获得良好的铺层，与图3-6的情况相比，节省了能量，且不会引起材料机械性能的下降。
因此，在较低速度加工时，推荐使用较低的加热热源。
3.6不同热源的影响
3.6.1圆形热源的影响
通过上面的分析得知，铺层基层的温度场分析对于加热范围是十分敏感的，不同的加热长度可能全获得不同质量的铺层。
无论是高温气体热源还是激光热源进行加热，热源的形状通常是圆形的，那么在预浸带的边缘与中间就形成了不一样的加热条件。
虽然建立的是一个二维的热传递模型，并没有考虑热量沿着预浸带的宽度方向的传导，但是热源的这种影响是不能忽略的，特别是在热源的加热直径与预浸带的宽度差别不大的时候。
图3-8为圆形热源加热预带时的几何模型。
D为热源能够覆盖的圆形范围的直径，
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