网格结构纤维缠绕和铺放成型工艺研究

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1、硕士学位论文网格结构纤维缠绕和铺放成型工艺研究STUDYONFILAMENTWINDINGANDAUTOMATEDFIBERPLACEMENTPROCESSOFGRIDSTRUCTURE张鹏哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V258+.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文网格结构纤维缠绕和铺放成型工艺研究硕士研究生：张鹏导师：付云忠副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classifie

2、dIndex:V258+.3U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONFILAMENTWINDINGANDAUTOMATEDFIBERPLACEMENTPROCESSOFGRIDSTRUCTURECandidate：ZhangPengSupervisor：A.Prof.FuYunzhongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalManufa

3、cturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June，2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着航天航空领域的发展，复合材料及其结构得到了广泛的应用。网格结构是一种典型的加强结构形式，20世纪50年代金属材料的网格结构就被用于飞行器结构之中，实现结构的减重。纤维复合材料制备的网格

4、结构承载效率更高，在国外已经被大量应用于航空航天结构。本文将围绕纤维复合材料成型网格结构的工艺和力学特性展开研究，旨在建立网格结构的数学表征与工艺模型，并设计、搭建网格结构缠绕及铺放设备。首先，本文提出了采用环向肋与螺旋肋个数表征网格密度的方法，推导了三角形、菱形、矩形等图案网格密度与圆柱结构尺寸之间的关系。利用apdl语言，开发了圆柱网格结构分析的通用子程序，实现了对网格结构轴向承载能力的分析。分析结果显示，正方形图案网格结构的轴向承载效率最高，正三角形图案的网格结构次之，菱形网格图案的加强效果最差。

5、通过增加网格密度，可以适当提高网格结构的轴向承载效率，当网格密度达到某一值时，继续增加网格密度，对承载效率的提升作用有限。另外，还对网格交叉点处的结构进行了研究，确定了减少网格交叉点纤维架空与堆积问题的工艺路线。其次，建立了网格结构纤维缠绕的数学模型。针对菱形图案，建立了菱形图案网格结构缠绕线型的数学模型，分析了螺旋肋的布满规律。改进了环向肋的缠绕方法，提出了环向肋与螺旋肋同时缠绕的多丝嘴缠绕方案，根据螺旋肋与环向肋的缠绕节拍，推导了缠绕螺旋肋与环向肋所需单层纤维厚度的关系。设计并搭建了可用于环向肋缠绕

6、的桌面式多丝嘴四轴缠绕机。然后，通过对网格结构铺放工艺特点的分析，设计了适用于网格结构铺放工艺的铺放头。该铺放头具有夹紧剪切、重送、压紧等基本功能，其采用了独立纱路、独立压辊的模块化设计，可以根据网格结构铺放工艺的需求，扩展铺放头的数目。完成了网格铺放系统样机的搭建，开展了铺放实验。最后，设计了圆柱网格结构样件，根据样件的结构尺寸，制备了石膏硅胶组合模具。采用环向肋与螺旋肋同时缠绕的方法成型了圆柱网格结构，固化方式选择中温热风固化，制备的网格构件质量为63.62g。进行了轴向压缩实验，实验结果表明：成型

7、的网格结构可以承受的最大轴向载荷为19744.99N，质量载荷比为310.36N/g，结构的失效破坏主要是由靠近交叉点附近的螺旋肋分层、断裂破坏引起的。关键词：网格结构；纤维缠绕；纤维铺放；成型工艺-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofaerospacetechnology,compositematerialsandstructureshavebeenwidelyused.Thegridisatypicalformofstrengtheningstr

8、ucture.Inthe1950s,thegridstructureofmetalmaterialswasusedintheaircraftstructuretoreducetheweightofthestructure.Nevertheless,theload-bearingefficiencyofthegridcompositestructureishigher.Ithasbeenwidelyusedinaerospacestructu