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复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化
来源:一起赢论文网     日期:2015-12-09     浏览数:1281     【 字体:

复合材料学报第32卷 第3期  6月 2015年Acta Materiae Compositae Sinica Vol.32 No.3 June 2015DOI:收稿日期:2014-05-23;录用日期:2014-07-20;网络出版时间:2015-06-09 16:19网络出版地址:www.cnki.net/kcms/detail/11.1801.TB.20150609.1619.003.html基金项目:国家自然科学基金(51375394)通讯作者:史耀耀,博士,教授,博士生导师,研究方向为专用数控工艺装备、高速高效数控加工。  E-mail:shiyy@nwpu.edu.cn引用格式:史耀耀,俞涛,何晓东,等.复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化[J].复合材料学报,2015,32(3):831-839.Shi Y Y,Yu T,He X D,et al.Mechanism and optimization of process parameters coupling for composite tape winding[J].Acta MateriaeCompositae Sinica,2015,32(3):831-839.复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化史耀耀*,俞涛,何晓东,康超,张晓扬,张军(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,西安710072)摘 要: 基于复合材料缠绕成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触与自粘接过程进行理论分析,提出影响复合材料缠绕制品质量的关键工艺参数:缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力;以层间剪切强度(ILSS)为优化目标,根据响应面法Box-Behnken Design(BBD)原理设计实验,建立工艺参数耦合对剪切强度的回归模型,通过对残差、方差(ANVOA)、预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的可靠性及有效性,进而获得缠绕成型最优工艺参数。结果表明:在最优工艺参数作用下,层间剪切强度达到22.9MPa,缠绕制品结合强度最高。关键词: 复合材料;缠绕成型;工艺参数;响应面法;参数优化中图分类号: TB332;V261.97   文献标志码: A   文章编号: 1000-3851(2015)03-0831-09  复合材料预浸胶带缠绕(碳/酚醛、高硅氧/酚醛)制品,由于其具有适中的耐烧蚀性能、隔热性能、生产周期较短及成本较低等良好的综合性能,被广泛应用于固体火箭发动机喷管、导弹鼻锥和发射筒等防热零部件中。随着这些复合材料缠绕成型结构件用量的增加,人们对其性能的关注度也日益提高。然而,复合材料结构件的性能不仅取决于材料自身性能,更重要的是取决于成型工艺方法和成型工艺过程中工艺参数的选取及控制精度。因此,控制复合材料结构件缠绕成型工艺过程及成型工艺过程中的工艺参数是保证制品性能的关键。目前,针对复合材料成型装备和成型过程的控制研究已比较成熟[1-4],复合材料成型过程工艺参数对制品质量影响机制的研究也取得了一些成果,如Polini和Sorrentino[5]研究了在制造全断面复合材料部件过程中主要缠绕参数对张力的影响,研究的重点是确定缠绕轨迹和缠绕速度等影响缠绕张力的关键几何参数,使得缠绕张力接近于标准值从而得到良好的复合材料部件。James和Black[6]对纤维缠绕的工艺窗口进行了研究,通过热降解数据和扩散模型确定了工艺参数的上、下限。Pitchumani等[7]将热降解、孔隙率和尺寸变化作为衡量产品质量的标准,对复合材料预浸胶带铺放成型的工艺窗口进行了研究。Sonmez和Hahn[8]将层间结合强度、热降解中的重量损失和结晶度作为质量评价的标准以找到合适的工艺参数。Heider等[9]利用人工神经网络的在线优化算法计算出热塑性复合材料自动铺放系统的最佳工艺参数设置点。Sonmez和Akbulut[10]研究了一种带铺放工艺参数优化方法。针对复合材料层合板残余拉应力进行工艺参数的设置,使其峰值达到最小,再通过优化方法的设计从而实现可能的最高铺放速度。实验结果显示,经过工艺优化的复合材料层合板的质量得到显著的改善。Tierney和Gillespie[11]在界面层紧密接触理论的基础上提出了厚度方向的热传递模型和粘结强度发展模型,并通过改变工艺条件的方式进行大量的实验。数值计算和实验结果表明:基于模型的预测控制方法适用于工艺过程优化,工艺参数(如铺放头速度、温度和压力)对复合材料层合板粘结强度有显著的影响。从上述研究中可以看出,复合材料成型过程工艺参数对制品质量的影响已受到广泛关注,单个工艺参数的作用机制研究也取得了一些成果。然而,在实际的复合材料成型过程中,有多个工艺参数同时作用会对制品质量产生交互影响。因此,仅仅研究某单一工艺参数的影响机制是不够的。本文通过10.13801/j.cnki.fhclxb.20150609.003理论研究和实验相结合的方法,分析影响复合材料缠绕制品质量的关键工艺参数,并利用响应面法对多个关键工艺参数耦合对制品质量的影响进行研究,以得到最佳的复合材料缠绕成型过程工艺参数。1 缠绕成型过程理论分析在复合材料预浸胶带缠绕过程中,保持恒定张力的胶带经过热压辊进入熔合区与已缠绕在芯模上的层合板合并。胶带在经过热压辊时,热压辊内部的热源将树脂加热至熔融状态。进入熔合区后,热压辊对胶带施以法向的正压力,使得胶带与基层层合板紧密贴合,并将融合区内的气泡排出以降低制品的孔隙率。复合材料预浸胶带缠绕成型过程示意图如图1所示。图1 复合材料预浸胶带缠绕成型过程示意图Fig.1 Schematic of composite prepreg tape winding process 从预浸胶带缠绕成型过程可以看出,缠绕成型实际上是预浸胶带与基层层合板不断熔合的过程。该熔合过程分为2个阶段:第1阶段是发生在两接触表面的紧密接触过程;第2阶段是发生在界面处的自粘结过程[12]。1.1 紧密接触过程由于表面粗糙度的原因,预浸胶带和层合板表面的微观几何形貌为不规则体,在缠绕过程中,加热到一定温度时,当热压辊对胶带施加一定的缠绕压力后,预浸胶带和层合板表面的几何形貌将发生形变,示意图如图2所示。胶带和层合板表面的突起相互挤压,传入的胶带在接触区域和基层的层合板紧密接触。紧密接触程度可以表示为[13]Dic = bw0+b0(1)由于树脂基体内外压力平衡,利用流体力学原理可推导出:Dic= 11+w0b01+5(a0-c0)2(w0+b0)b30∫tc0Paμm[ dt]1/5(2)式中:Pa为接触区域的热压辊法向压力;w0、a0、b0和c0均为预浸胶带的表面几何特征,可以通过一些随机的预紧胶带横截面的显微照片来计算[14];μm为基于温度的基质黏度;tc为加压时间。μm和tc计算公式为μm =AexpBT(3)tc =lcV(4)式中:A 和B 为经验常数,可根据实验数据绘制的树脂黏温特性曲线得到;T 为加热温度;lc为热压辊加压处的接触距离;V 为缠绕时的线速度。复合材料预浸胶带紧密接触示意图如图3所示。图2 复合材料预浸胶带表面微观形变示意图Fig.2 Schematic of microcosmic deformation on compositeprepreg tape surface 图3 复合材料预浸胶带紧密接触示意图Fig.3 Schematic of composite prepreg tape intimate contact ·832· 复合材料学报1.2 自粘结过程层合板与胶带表面紧密接触之后,便开始了自粘结过程。当温度达到一定程度时,由于随机的热运动,聚合物基体的分子链通过紧密贴合的布带表面进行扩散。在界面处,胶带与层合板表面的聚合物链脱离它们的原始形态并穿过界面渗透到对方的表面,两表面的分子链相互渗透并缠结在一起。经过一段时间后,聚合物链完全渗透并与毗邻的界面缠结,以至于界面上的基体重新形成本体聚合物,两表面完全结合在一起。此时,层合板与胶带之间的结合强度可由对时间t的卷积积分表示[12]:Db(t)=Dic(0)Dau(t)+∫t0Dau(t-t′)dDic(t′)dt dt′(5)式中:Dau为自粘结强度,在等温条件下,可以表示为Dau = ttre ( ) p1/4(6)trep =BrepexpArepT(7)式中:trep为聚合物链摆脱原始位置的爬行时间;Arep和Brep为经验常数,可根据由实验数据绘制的爬行时间trep的对数与温度T 的倒数之间的关系图得到[15]。在非等温条件下,将整个自粘结过程划分为n个小时间段Δt,此时[16]Dau = 1tre ( ) p1/4Σ nj=1(tj)1/4-(tj-1)1/4[ a(Tj)1/4 ] (8)a(T)=expEaR1T- 1[ ( T )] ref(9)n=tau/Δt (10)式中:tau为自粘结过程时间,即胶带从加热完成进入熔合区开始到温度下降为室温的这段时间;a 为位移系数;Ea为聚合物扩散时的动能;R 为通用气体常数;Tref为参考温度。复合材料预浸胶带自粘结过程显微照片如图4所示。根据上述理论研究,结合紧密接触程度经验公式(2)和结合强度公式(5)可知,在复合材料预浸胶带本身质量确定的前提下,其缠绕制品的结合强度Db主要取决于缠绕温度T、缠绕压力Pa和时间t(即缠绕速度V)。此外,在缠绕成型过程中需要将预浸胶带保持恒定的张力,张力的大小直接关系到缠绕制品的强度与疲劳性能[17]。实验证明,若胶带张力值不适宜,会使缠绕制品图4 复合材料预浸胶带自粘结过程显微照片Fig.4 Micrographs of composite prepreg tape autohesion process 强度损失20%~30%[18]。因此,在考虑到不影响生产效率(即缠绕速度V 不变)的前提下,对缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力3个工艺参数对缠绕制品质量的影响规律进行实验研究,揭示工艺参数对制品性能影响的耦合作用机制,并实现工艺参数的优化。2 实验条件与方法选用的预浸胶带材料为玻璃纤维/酚醛树脂,胶带宽度为80mm,单层平均厚度为0.25mm,纤维体积分数为(54±3)%。胶带采用二维编织,编织方向为0°/90°。实验成型设备为西工大自研XP-1000数控布带缠绕机,如图5所示。层间剪切强度检测设备采用长春机械院生产的DDL100电子万能试验机。实验环境温度为(25±2)℃,湿度为(28±3)%。图5 XP-1000数控布带缠绕机Fig.5 XP-1000numerical control tape winding machine 缠绕试件均采用平行层叠缠绕而成的复合材料环形试样(缠绕所用芯模直径为150mm,试件直径为220mm),如图6所示。对于复合材料缠绕制品来说,层间剪切强度(即任意两铺层融合后所能达到的铺层间强度)是考史耀耀,等:复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化·833·图6 复合材料环形试样Fig.6 Ring specimen of composites 查其层合板间结合强度的量化指标,也是检验其质量好坏的重要标准之一[19]。根据美国军用手册MIL-HDBK-17《复合材料手册》对于层合板力学性能试验的规定[20],层间剪切强度的实验方法因遵循先进复合材料的ASTM 标准,采用D3846增强塑料复合材料平面剪切强度试验方法[21]:将缠绕固化后的复合材料环形试样进行机加,沿层压方向切下如图7所示的测试件,并将其夹持在如图8所示的夹具中,拧紧夹具螺母并保证每个螺母的拧紧力为0.085~0.113N·M,采用长春机械科学研究院有限公司生产的DDL100型电子万能实验机以1.3mm/min的速度对夹持好的测试件施加压缩载荷直至测试件破坏,记录破坏过程中的最大载荷,并将其除以测试件宽度与破坏区域长度的乘积以得到层间剪切强度。针对多工艺参数共同作用影响缠绕制品质量这一问题,利用响应面法(ResponseSurfaceMethod-图7 复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试件[21]Fig.7 Specimen of composite tape winding product forinterlaminar shear strength test[21] 图8 复合材料带缠绕制品测试件夹具Fig.8 Loading jig for specimen of composite tapewinding product ology)对试验进行设计和分析。响应面法是利用合理的试验设计,采用多元二次回归方程拟合因素与响应值之间的函数关系,通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数,解决多变量问题的一种统计方法。3 实验设计与结果验证实验以缠绕过程中的温度、压力和张力为自变量,以层间剪切强度为因变量,根据响应面法中的BBD(Box-Behnken Design)原理对实验进行设计。依据实际生产经验,温度考察范围为50~150℃,胶带温度低于50 ℃时树脂基体难以达到熔融状态,而高于150℃时容易导致树脂提前固化。压力考察范围为100~500N,当压力小于100N时,胶带与基层层合板的接触不够,而大于1 500N时会使缠绕制品变形。张力考察范围为50~1 500N,张力低于50N 会使得层间夹杂的气泡增多,而过大的张力则会导致断带。表1为复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试因素水平表,表2为缠绕温度、压力和张力的BBD设计及结果。表1 复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试因素水平表Table 1 Factor levels chart of composite tape windingproduct for interlaminar shear strength testLevelTemperature/℃Factorpressure/NTension/N-1 50 100 500 100 800 2751 150 1 500 500·834· 复合材料学报表2 复合材料预浸胶带缠绕温度、压力和张力的BBD设计及结果Table 2 BBD design and results of composite prepreg tapewinding temperature,pressure and tensionTestNo.Factor1 A:Temperature/℃Factor 2B:Pressure/NFactor 3C:Tension/NResponseinterlaminar shearstrength/MPa1 0 -1 -1 10.22 -1 -1 0 7.23 1 1 0 17.14 0 0 0 21.85 -1 1 0 14.86 0 0 0 20.57 0 -1 1 16.38 1 0 1 16.59 0 0 0 22.410 1 -1 0 15.311 -1 0 1 14.412 -1 0 -1 9.513 0 0 0 21.014 0 1 -1 17.815 0 1 1 17.516 0 0 0 20.717 1 0 -1 16.2  根据BBD设计的17组实验所得的层间剪切强度结果,利用Design-Expert软件对实验数据进行分析处理,各工艺参数对层间剪切强度的影响可由二次回归函数表示:S =21.28+2.4A+2.28B+1.38C-1.45A×B-1.15A×C-1.60B×C-4.49A2-3.19B2-2.64C2 (11)式中:S 为层间剪切强度;A、B、C 分别为缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力的编码值。为了验证试验数据的可靠性和回归模型的显著性,需要对其进行一系列的分析检验,包括残差分析、方差分析、预测值与实际值对比等。图9为复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试结果的残差正态概率分布图。可以看出,各点基本上处于一条直线上,且残差运行图(见图10)所示各点分散,并无特定分布规律,说明实验数据服从常态分布,并无异常数据的出现。表3为复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试结果的响应面二次模型方差分析。表中失拟项P值为0.881 7,大于0.05,表明所得方程与实际拟合中非正常误差所占比例小,回归拟合的模型成立。另外,从表3中可以看出,各工艺参数对层间表3 复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试结果的响应面二次模型方差分析Table 3 Analysis of variance for response surface quadraticmodel of interlaminar shear strength test results forcomposite tape winding productSource Sum ofsquares dfMeansqureFvaluep-valueprob>FModel 300.83 9 33.43 79.10 <0.000 1A:Temperature 46.08 1 46.08 109.05 <0.000 1B:Pressure 41.40 1 41.40 97.98 <0.000 1C:Tension 15.13 1 15.13 35.79 0.000 6AB 8.41 1 8.41 19.90 0.002 9AC 5.29 1 5.29 12.52 0.009 5BC 10.24 1 10.24 24.23 0.001 7A2 84.88 1 84.88 200.88 <0.000 1B2 42.85 1 42.85 101.40 <0.000 1C2 29.35 1 29.35 69.45 <0.000 1Residual 2.96 7 0.42Lack of Fit 0.41 3 0.14 0.21 0.881 7Pure error 2.55 4 0.64Cor Total 303.79 16 Note:df—Degree of freedom.图9 复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试结果的残差正态概率分布图Fig.9 Residuals normal distribution plot of interlaminar shearstrength test results for composite tape winding product 剪切强度均有显著影响,缠绕温度与缠绕压力耦合、缠绕温度与缠绕张力耦合、缠绕压力与缠绕张力耦合对层间剪切强度有显著的交互影响。图11为复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试的预测值与实际值对比。模型的预测值与实际实验结果基本吻合,进一步验证了该二次回归模型预测响应的准确性。史耀耀,等:复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化·835·图10 复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试结果的残差运行图Fig.10 Residual run plot of interlaminar shear strength testresults for composite tape winding product 图11 复合材料带缠绕制品层间剪切强度测试的预测值与实际值对比Fig.11 Predicted versus actual plot of interlaminar shear strengthtest for composite tape winding product 4 工艺参数耦合机制及优化4.1 缠绕温度与缠绕压力耦合对结合强度的影响在缠绕成型过程中,对传入的预浸胶带加热的目的是使胶带上的树脂基体达到熔融状态,在压力的作用下与层合板紧密结合,使得两界面上的聚合物融为一体。图12为缠绕温度与缠绕压力耦合对复合材料带缠绕制品层间剪切强度的影响。在温度较低的情况下,聚合物基体未达到熔融状态,分子链扩散程度较低,即使施加较大的压力也很难提高其结合强度。随着温度的升高,试件的层间剪切强度有着明显的加强,但过高的温度会使聚合物基体产生固化反应从而导致结合质量恶化。在温度适宜的情况下,压力不够会使得胶带与层合板达不到紧密贴合状态,影响其聚合物链的相互渗透,而压力过高会将熔融状态下的基体从层合板中挤出,产生贫胶现象。从图12 中可以看出,温度在100~125℃,压力在800~1 150N时,其层间剪切强度最佳。图12 缠绕温度与缠绕压力耦合对复合材料带缠绕制品层间剪切强度的影响Fig.12 Coupling effects of winding temperature and windingpressure on interlaminar shear strength of composite tapewinding product 4.2 缠绕温度与缠绕张力耦合对结合强度的影响预浸胶带缠绕制品的强度与缠绕张力有密切的关系,适宜的张力可以消除胶带层之间的间隙,使界面层之间贴合得更为紧密。图13为缠绕温度与缠绕张力耦合对复合材料带缠绕制品层间剪切强度图13 缠绕温度与缠绕张力耦合对复合材料带缠绕制品层间剪切强度的影响Fig.13 Coupling effects of winding temperature and windingtension on interlaminar shear strength of compositetape winding product ·836· 复合材料学报的影响。张力过小,胶带在进过热压辊时不能和热压辊充分接触,影响胶带表面树脂基体的融化,且过小的张力会使内衬充压时变形较大,从而降低了制品的性能。而过大的张力使得应力超出预浸胶带所允许的弹性范围,导致应力分布不均匀,且在加热的条件下,会损坏胶带原有的性能,从而降低制品整体的剪切强度。结合图13可知,温度为100~125℃,张力为230~320N 时,其层间剪切强度较好。4.3 缠绕压力与缠绕张力耦合对结合强度的影响缠绕压力与张力在成型过程中相互影响,在胶带经过热压辊缠绕上芯模后,一部分张力会转化成法向上的压力。图14为缠绕压力与缠绕张力耦合对复合材料带缠绕制品层间剪切强度的影响。在张力较小的情况下,胶带传入时和基层层合板之间会产生大量的缝隙,这时若压力不够,则很难将这些缝隙所产生的气泡从结合处赶出,制品孔隙率上升,导致层间结合强度明显下降。当张力和压力都过大时,会导致胶带严重变形,有些情况下甚至会出现断带,不仅影响工作效率,续上的胶带更会影响其结合质量。从图14中可以看出,张力和压力有明显的互补关系,且在压力为800~1 150N,张力为230~320N时,其层间剪切强度较高。图14 缠绕压力与缠绕张力耦合对复合材料带缠绕制品层间剪切强度的影响Fig.14 Coupling effects of winding pressure and windingtension on interlaminar shear strengthof composite tape winding product 4.4 工艺参数优化通过对参数耦合的分析,考虑缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力3个工艺参数的综合作用,结合二次回归函数模型,对工艺参数进行优化,得到层间剪切强度最佳时工艺条件为:缠绕温度110.2℃,缠绕压力993.7N,缠绕张力304.8N,此时模型预测的层间剪切强度理论最大值为21.9MPa。采用最优工艺参数进行缠绕实验,所用预浸胶带材料为玻璃纤维/酚醛树脂,胶带宽度为80mm,单层平均厚度为0.25mm,纤维体积分数为(54±3)%。缠绕环形试样外径为220mm,内径为150mm,数量为3个。表4为影响复合材料带缠绕制品层间剪切强度的工艺参数优化结果。将环形试样进行机加并测试其层间剪切强度,得到试样的平均层间剪切强度为22.9MPa(见表4)。理论预测值与实际值非常接近,平均相对偏差为4.6%。说明得到的二次回归模型适合本试验,工艺参数优化准确可靠,具有实际参考价值。表4 影响复合材料带缠绕制品层间剪切强度的工艺参数优化结果Table 4 Results of optimum values of process parametersfor interlaminar shear strength of composite tapewinding productNo.Temperature/℃Pressure/NTension/NInterlaminar shearstrength/MPaPredicted ActualRelativeerror/%1 110.2 993.7 304.8 21.9 22.6 3.12 110.2 993.7 304.8 21.9 23.1 5.53 110.2 993.7 304.8 21.9 22.9 4.55 结 论(1)复合材料预浸胶带缠绕成型过程中关键工艺参数缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力对复合材料缠绕制品的结合强度影响较大,缠绕温度与缠绕压力耦合、缠绕温度与缠绕张力耦合、缠绕压力与缠绕张力耦合对层间剪切强度有着显著的交互影响。(2)采用玻璃纤维/酚醛树脂预浸胶带进行缠绕实验,利用响应面法进行实验设计并对实验结果进行回归分析,得到各工艺参数对复合材料预浸胶带层间剪切强度影响的二次回归模型,在验证了回归模型准确性的基础上实现了工艺参数的优化。实验结果显示:缠绕温度为110.2 ℃,缠绕压力为993.7N,缠绕张力为304.8N时缠绕制品的结合强度最好,其平均层间剪切强度为22.9MPa。参考文献:[1] Shirinzadeh B,Cassidy G,Oetomo D,et al.Trajectory gen-史耀耀,等:复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化·837·eration for open-contoured structures in robotic fiber placement[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2007,23(4):380-394.[2] Aized T,Shirinzadeh B.Robotic fiber placement processanalysis and optimization using response surface method[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2011,55(1-4):393-404.[3] Yamamoto N,de Villoria R G,Wardle B L.Electrical andthermal property 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University,Xi’an 710072,China)Abstract: The theoretical analysis of intimate contact and autohesion in molding process was carried out based onthe research of composite winding process.The key process parameters affecting the quality of winding product,such as winding temperature,pressure and tension,were proposed.Based on Box-Behnken Design(BBD)theory ofresponse surface methodology,the regression model of process parameters coupling on shear strength was established to optimize the interlaminar shear strength(ILSS).The reliability and effectiveness of regression model wereverified through the test analysis such as residual,analysis of variance(ANVOA)and predicted versus actual.Furthermore,the optimal process parameters of winding process were obtained.Results illustrate that the windingproducts employing the optimum parameters bond in the highest strength with the interlaminar shear strength of22.9MPa.Keywords: composites;winding process;process parameters;response surface methodology;parameter optimization史耀耀,等:复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化·839·

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