复合材料三维织造工艺参数耦合机理研究

To meet the needs of large size, complex structure and automated manufacturing composites of our aerospace and national defense industry etc, focused on deforming, poor uniformity and low efficiency of composites weaving process, this project will study on coupling mechanism of 3D composites weaving process parameters. It includes interlayer densification accurate control of 3D preform, guide structure deforming mechanism, precise control algorithm of shape and performance, 3D composites weaving experimental device and typical parts weaving verification. It puts forward a constraint control method of guide structure deforming innovatively, builds a dynamic accurate control mathematical model of preform interlayer densification based on pressure loading-displacement feedback, develops an integrated forming device that can layered weaving synchronous in multiple areas with multiple needles driven by 3D CAD model. The macro-size and meso-structure precise weaving of 3D composites will be achieved. It can provide theoretical basis for composites 3D weaving process optimization and have important academic research value and engineer application prospect.

为满足我国航空航天、国防军工等行业复合材料尺寸大型化、结构复杂化、制造自动化的迫切需求，本项目针对复合材料织造成形中存在形变、均匀度差、效率低等难题，对复合材料三维织造工艺参数耦合机理进行研究，包括预制体层间致密度精确控制、导向结构变形机理、控形控性成形算法、复合材料三维织造实验装置搭建及典型件织造验证研究。创新提出一种导向结构变形约束控制方法，建立基于压实力加载-位移反馈的多参数层间致密度动态控制数学模型，研制出一种由三维CAD模型驱动的多针多区域同步分层编织的一体化成形装置，实现三维复合材料宏观尺寸与细观结构精确织造成形，为优化复合材料三维织造成形工艺提供理论依据，具有重要的学术研究价值和工程应用前景。

复合材料以其轻量化、比强度/比刚度高等优异性能，在航空航天、汽车、轨道交通等领域应用越来越广泛。为满足我国航空航天、国防军工等行业三维复合材料构件高质量高效率制造的迫切需求，本项目针对复合材料三维织造成形中存在形变、均匀度差、效率低等难题，开展了复合材料三维织造工艺参数耦合机理研究，包括三维织造复合材料预制体层间致密度控制、导向结构变形机理、多针多区域织造实验装置搭建等研究。. 创新提出一种复杂复合材料预制体多针多区域的数字化三维织造方法，开发了多针多区域纤维束铺放路径规划方法，实现了中空预制体的多针多向三维织造成形。创新建立了复合材料三维预制体层间致密度控制模型，针对复合材料纤维层预压实、过渡压实、紧密压实过程，建立了纤维层压实反弹数学模型、极限压实层厚模型以及层间致密度控制数学模型，为复合材料三维预制体层密度的控制提供了理论基础。. 揭示了三维织造过程细长密集导向阵列的导向结构变形机理，建立了导向结构纤维束铺放过程变形数学模型、不同材质导向结构微变形摩擦阻力数学模型、导向结构微变形压实过程数学模型以及基于机器视觉的导向阵列变形评价方法。创新建立了复合材料三维织造多针同步送纱纤维束张紧力控制数学模型。建立了基于重物加载同步送纱纤维束张紧力控制数学模型，通过参数优化减少了张力波动；建立了基于速度匹配的同步送纱主动张力控制数学模型，通过张紧线收卷速度与织造速度匹配实现纤维束张力的主动控制。. 开发出复合材料多针多区域三维织造实验装置，实现了中空喉衬预制体样件的织造成形，为大型中空喉衬预制体的三维织造提供了新的解决方案，发表论文6篇，已录用论文1篇，申请发明专利4项，其中授权发明专利1项，登记软件著作权1项。本项目研究为复合材料预制体三维织造成形工艺优化提供了理论基础，具有重要的学术研究价值和广阔的工程应用前景。