CN118048751A - 一种软硬混编复合材料预制体压实装置及压实方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种软硬混编复合材料预制体压实装置及压实方法，属于碳纤维材料预制体成型工艺技术领域，包括压力检测装置、预制体压实工装和预制体加载机构，将压力检测装置安装固定，并与上压孔板连接；当上压孔板受载达到预设压力阈值时，控制器基于动态压力信号指定预制体达到第二位置，之后控制器接收光电传感器产生的位移信号并控制下压孔板移动到第三位置，预制体往复循环编织与压实获得成型织物。本发明实现了软硬混编立体织物层间压力动态调控，保证了织物层间密度一致，提高了预制体成型质量。

Description

一种软硬混编复合材料预制体压实装置及压实方法

技术领域

本发明属于碳纤维材料预制体成型工艺技术领域，尤其是涉及一种软硬混编复合材料预制体压实装置及压实方法。

背景技术

软硬混编复合材料由于具有低密度、高强度和低烧蚀率等优异特性，目前已被广泛作为固体火箭发动机喉衬的首选材料。

软硬混编预制体作为其复合材料纤维增强结构骨架，采用纤维拉挤成型的碳棒与碳纤维束混编的成型方式，碳棒垂直于水平面呈正三角形等距密排排列，纤维在碳棒间三向叠层铺放，具有良好的各向同性，抗烧蚀性能和可设计性。

在预制体构件成形过程中，厚度方向的致密化程度决定了其内部结构，采用手动压实易对纤维丝束造成损伤，并且预制体每次完成压实致密工序后预制体层间间距不一致，无法精确控制纤维体积含量，成型的多个预制体层间密度偏差大且成型质量参差不齐。

因此，亟须发明一种软硬混编复合材料预制体压实装置及压实方法，主要用于实现预制体层间密度在线动态调控压实、提高预制体成型效率与质量、保证批量化产品一致性。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种软硬混编复合材料预制体压实装置及压实方法，其用于软硬混编立体织物的整机编织工作中，辅助完成对预制体层间密度的在线调控，精准控制预制体纤维的体积含量，保证预制体层间密度一致，提高预制体的成型效率与质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种软硬混编复合材料预制体压实装置，包括压力检测装置、预制体压实工装和预制体加载机构，所述压力检测装置与预制体压实工装相连，用于检测动态压力信号并传输到控制器，控制器将当前加载值与预设压力阈值对比，保证预制体层间变压力加载；所述预制体压实工装安装于预制体加载机构上，所述预制体压实工装包括上压孔板、预制体骨架和下压孔板，作为预制体编织与压实的对象。

进一步地，所述压力检测装置安装于机架顶部两侧对称位置，分别将动态压实信号传输至控制器，保证预制体在水平面受载均匀，所述压力检测装置包括传感器支座、传感器支撑板、压力传感器和接触块，所述传感器支撑板上表面与传感器支座连接，该传感器支撑板上开设有适用于压力传感器尺寸的凹槽，所述压力传感器的上表面与传感器支座连接，该压力传感器下表面与接触块上表面连接，便于安装与定位，所述传感器支撑板与机架连接固定。

进一步地，所述预制体骨架包括碳棒和碳纤维束，所述上压孔板和下压孔板设置有相同的等距微孔，用于碳棒的均匀排布穿插。

进一步地，所述上压孔板包括孔板固定圈、孔板和直线轴承，所述孔板固定圈与孔板连接，所述孔板圆周位置均匀分布有直线轴承。

进一步地，所述预制体加载机构安装于机架底部，所述预制体加载机构包括第一升降板、导向柱、第一支撑板、丝杠、第二升降板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板通过柱体固定连接，所述第二支撑板作为机架底板与地脚螺纹连接；所述第一升降板与第二升降板通过导向柱固定连接，所述第二升降板与丝杠的螺母固定，完成力与力矩的加载，丝杠经驱动装置驱动转动，进而带动预制体进给压实。

本发明还提供一种软硬混编复合材料预制体压实方法，包括以下步骤：

S1、初始时，所述下压孔板处于第一位置（编织原位），预制体编织一个循环后，驱动装置驱动下压孔板对预制体进行压实；

S2、压实时，所述上压孔板用于承受加载并将承受的加载力传递至压力检测装置，所述压力检测装置用于检测预制体加载是否达到预设压力阈值，控制预制体均匀成型；

S3、压力检测装置将动态压力信号传输到控制器，所述控制器将当前加载值与预设压力阈值对比，保证预制体层间变压力加载；

若当前加载值小于预设压力阈值，则控制器输出脉冲信号驱动驱动装置继续加载；

若当前加载值达到预设压力阈值，则指定预制体到达第二位置；

S4、预制体到达第二位置后，控制器接收位移信号并控制下压孔板移动到第三位置，准备编织进入下个循环。

进一步地，在步骤S3中，所述预设压力阈值由层间压力公式判定计算，当压实次数小于疲劳次数时，所述预设压力阈值随着编织层数以及压实次数的增大而增大；当压实次数大于或等于疲劳次数时，所述预设压力阈值为固定压力加载值。

进一步地，在步骤S3中，预设压力阈值的计算过程为：

当压实次数少于疲劳压实次数时，压实载荷随压实次数呈线性变化，基于胡克定律推导出以下公式，按照以下公式计算所述预设压力阈值：

其中，，/>；F表示预制体预设压力阈值；t表示预制体压实次数；n表示不同尺寸预制体截面中交织点数；G表示材料剪切模量；D表示将交织点假设为弹簧的中径值；d表示将交织点假设为弹簧的线径值；/>表示预制体每个循环的形变量；/>表示预制体每个循环的回弹量；

当压实次数大于等于疲劳次数时，压实载荷不随压实次数改变，按照以下公式计算，以下公式为不同尺寸预制体达到疲劳点后需设定的压力阈值：

其中，表示预制体压实疲劳次数点。

进一步地，在步骤S4中，第三位置是第一位置加上每次预制体增加的压实厚度后达到的位置；每次预制体增加的压实厚度由层间位移公式判定计算：

若压实次数小于疲劳压实次数时，按照以下公式计算：

若压实次数大于或等于疲劳次数时，每次增加的距离为固定值，计算公式如下：

。

进一步地，在步骤S4中，所述位移信号由光电传感器发出，所述光电传感器安装在所述第一位置、预制体编织上极限位置和下极限位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用于辅助软硬混编预制体自动编织机完成立体织物的生产，通过压力检测装置实时检测预制体加载值是否到达预设压力阈值，根据不同编织厚度选择不同预设压力阈值，保证预制体垂直方向层间一致性，通过光电传感器控制升降高度使编织区域保持统一高度，实现软硬混编立体织物层间密度在线调控，精准控制预制体纤维体积含量，提高预制体成型效率与质量。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1是本发明预制体压实装置的结构示意图。

图2是本发明压力检测装置的结构示意图。

图3是本发明上压孔板的结构示意图。

图4是本发明的控制原理图。

图5是本发明预制体压实过程示意图。

图6是本发明预制体编织交织点示意图。

图7是本发明预制体压实次数小于疲劳压实次数的压实原理示意图。

图8是本发明预制体压实次数大于或等于疲劳压实次数的压实原理示意图。

图中：

1、机架；2、压力检测装置；3、预制体压实工装；4、预制体加载机构；201、传感器支座；202、传感器支撑板；203、压力传感器；204、接触块；31、上压孔板；32、碳棒；33、碳纤维束；34、下压孔板；301、孔板固定圈；302、孔板；303、直线轴承；401、第一升降板；402、导向柱；403、第一支撑板；404、丝杠；405、第二升降板；406、同步带轮；407、伺服电机；408、第二支撑板。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。

如图1至图8所示，本发明一种软硬混编复合材料预制体压实装置，包括压力检测装置2、预制体压实工装3和预制体加载机构4，压力检测装置2安装于机架1顶部两侧位置，该压力检测装置2与预制体压实工装3相连，用于检测动态压力信号并传输到控制器，控制器将当前加载值与预设压力阈值对比，保证预制体层间变压力加载；预制体加载机构4安装于机架1底部，预制体压实工装3安装于预制体加载机构4上。

其中，压力检测装置2包括传感器支座201、传感器支撑板202、压力传感器203和接触块204，传感器支撑板202上表面与传感器支座201螺纹连接，该传感器支撑板202上开设有适用于压力传感器203尺寸的凹槽，并在与压力传感器203接触的上表面和下表面均铣削出定位槽，保证安装垂直度，压力传感器203的上表面与传感器支座201螺纹连接，该压力传感器203下表面与接触块204上表面螺纹连接，便于安装与定位，接触块204上表面铣削出适应于压力传感器203的凹槽，传感器支撑板202与机架1通过螺纹连接固定。

其中，压力检测装置2左右对称安装（分为第一压力传感器和第二压力传感器），分别将动态压实信号传输至控制器，保证预制体在水平面受载均匀。

其中，预制体压实工装3包括上压孔板31、预制体骨架和下压孔板34，作为预制体编织与压实的对象，预制体骨架包括碳棒32和碳纤维束33，上压孔板31和下压孔板34设置有相同的等距微孔，用于碳棒32的均匀排布穿插，碳棒32呈正六边形排布，碳纤维束33在其窄缝通道中呈0°、120°、240方向循环编织。

其中，上压孔板31包括孔板固定圈301、孔板302和直线轴承303，孔板固定圈301与孔板302通过螺纹连接，孔板302圆周位置均匀分布6个直线轴承303。

其中，预制体加载机构4包括第一升降板401、导向柱402、第一支撑板403、丝杠404、第二升降板405、第二支撑板408、同步带轮406和伺服电机407，第一支撑板403和第二支撑板408通过4根柱体固定连接，第二支撑板408作为机架1底板与地脚螺纹连接；第一升降板401与第二升降板405通过4根导向柱402固定连接，第二升降板405与丝杠404螺母固定，完成力与力矩的加载，伺服电机407通过同步带驱动同步带轮406旋转，同步带轮406与丝杠404过盈配合，带动丝杠404转动，进而带动预制体进给压实。

其中，预制体压实工装3与第一升降板401通过销钉定位、螺纹进行连接。

本发明还提供一种软硬混编复合材料预制体压实方法，包括以下步骤：

S1、初始时，下压孔板34处于第一位置（编织原位），预制体编织一个循环后，伺服电机407驱动丝杠404带动下压孔板34对预制体进行压实；

S2、压实时，上压孔板31用于承受加载并将承受的加载力传递于压力检测装置2，压力检测装置2的压力传感器203用于检测预制体加载是否达到预设压力阈值，控制预制体均匀成型；

S3、压力传感器203将动态压力信号传输到控制器，控制器将当前加载值与预设压力阈值对比，保证预制体层间变压力加载；

若当前加载值小于预设压力阈值，则控制器输出脉冲信号驱动伺服电机407继续加载；

若当前加载值达到预设压力阈值，则指定预制体到达第二位置；

可见，确定第二位置首先需要计算相应的预设压力阈值，然后根据压力传感器203传回的当前加载值进行比对，不同编织循环层数需要依次分别计算其预设压力阈值。

S4、预制体到达第二位置后，控制器接收位移信号并控制下压孔板34移动到第三位置，准备编织进入下个循环。

预制件重复循环编织与压实，在不同编织厚度压实到相应的高度，实现预制体动态变厚度压实致密，保证层间密度一致。

在步骤S3中，预制体编织完一个循环后进行一次压实，需指定压力阈值，预设压力阈值由层间压力公式判定计算：当压实次数小于疲劳次数时，预设压力阈值随着编织层数以及压实次数的增大而增大；当压实次数大于或等于疲劳次数时，预设压力阈值为固定压力加载值。

进一步地，在步骤S3中，以编织任意一个循环为例，预设压力阈值的计算过程为：软硬混编预制体压实规律表明预制体压力阈值与预制体编织厚度有关，不同编织层对应的压实次数存在压实疲劳点，故需预设压力阈值，其判定计算包括：

如图7所示，当压实次数少于疲劳压实次数时，压实载荷随压实次数呈线性变化，基于胡克定律推导出以下公式，按照以下公式计算预设压力阈值：

其中，，/>；F表示预制体预设压力阈值；t表示预制体压实次数；n表示不同尺寸预制体截面中交织点数；G表示材料剪切模量；D表示将交织点假设为弹簧的中径值；d表示将交织点假设为弹簧的线径值；/>表示预制体每个循环的形变量；/>表示预制体每个循环的回弹量。

如图8所示，当压实次数大于等于疲劳次数时，压实载荷不随压实次数改变，按照以下公式计算给定，以下公式为不同尺寸预制体达到疲劳点后需设定的压力阈值：

其中，表示预制体压实疲劳次数点。

图7和图8中的u表示预制体单层原始编织高度。

其中，如图6所示，交织点数n需要根据所编织预制体尺寸计算，弹簧的中径值D以及线径值d随着碳棒32的铺放间距变化而改变，预制体压实疲劳次数根据不同编织尺寸下压实实验进行测定。

在步骤S4中，第三位置是第一位置加上每次预制体增加的压实厚度后达到的位置；每次预制体增加的压实厚度由层间位移公式判定计算，保证编织位置不变：

如图7所示，若压实次数小于疲劳压实次数时，按照以下公式计算：

如图8所示，若压实次数大于或等于疲劳次数时，每次增加的距离为固定值，计算公式如下：

在步骤S4中，位移信号由光电传感器发出，光电传感器安装在第一位置（编织原位）、预制体编织上极限位置和下极限位置。预制体编织上极限位置和下极限位置需要根据编织不同厚度尺寸的成型织物的位置进行确定。

在本实施例中，如图4所示，控制器需判定左右两侧的压力传感器203加载力的大小和光电传感器传输的位移信号，从而采取对应的加载控制策略，实时输出脉冲信号给伺服驱动器驱动伺服电机407，控制器的显示屏可将压力传感器203提供的数据实时显示，以利于提高压实程度的可视性和安全性。

其中，控制器包括但不限于是计算机、PLC编程控制器等常见的机电控制装置或设备。

此外，本实施例中的软硬混编预制体的碳棒32呈正六角形排列，碳纤维束33分别从0°、120°和240°三个方向循环编织的结构为优选设计，本预制体压实方法不仅局限于此，如碳棒32呈正四边形阵列时，碳纤维束33呈不同方向编织而成的类似预制体时，仅需加工合适的受载压实孔板即可采用该实例方法压实致密。

综上所述，本发明可实时检测预制体加载值是否到达预设压力阈值，根据不同编织厚度选择不同预设压力阈值，保证预制体垂直方向层间一致性，通过光电传感器控制预制体加载机构4升降，始终使编织区域保持统一高度，实现软硬混编立体织物层间密度在线调控，精准控制预制体纤维体积含量，提高预制体成型效率与质量。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种软硬混编复合材料预制体压实装置，其特征在于：包括压力检测装置、预制体压实工装和预制体加载机构，所述压力检测装置与预制体压实工装相连，所述预制体压实工装安装于预制体加载机构上，所述预制体压实工装包括上压孔板、预制体骨架和下压孔板。

2.根据权利要求1所述的软硬混编复合材料预制体压实装置，其特征在于：所述压力检测装置安装于机架顶部两侧对称位置，所述压力检测装置包括传感器支座、传感器支撑板、压力传感器和接触块，所述传感器支撑板上表面与传感器支座连接，该传感器支撑板上开设有适用于压力传感器尺寸的凹槽，所述压力传感器的上表面与传感器支座连接，该压力传感器下表面与接触块上表面连接，所述传感器支撑板与机架连接固定。

3.根据权利要求1所述的软硬混编复合材料预制体压实装置，其特征在于：所述预制体骨架包括碳棒和碳纤维束，所述上压孔板和下压孔板设置有相同的等距微孔。

4.根据权利要求1所述的软硬混编复合材料预制体压实装置，其特征在于：所述上压孔板包括孔板固定圈、孔板和直线轴承，所述孔板固定圈与孔板连接，所述孔板圆周位置均匀分布有直线轴承。

5.根据权利要求1所述的软硬混编复合材料预制体压实装置，其特征在于：所述预制体加载机构安装于机架底部，所述预制体加载机构包括第一升降板、导向柱、第一支撑板、丝杠、第二升降板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板通过柱体固定连接，所述第二支撑板作为机架底板与地脚螺纹连接；所述第一升降板与第二升降板通过导向柱固定连接，所述第二升降板与丝杠的螺母固定，所述丝杠经驱动装置驱动转动，带动预制体进给压实。

6.一种软硬混编复合材料预制体压实方法，基于权利要求1至5任一项所述的软硬混编复合材料预制体压实装置实现，其特征在于：包括以下步骤：

S1、初始时，所述下压孔板处于第一位置，预制体编织一个循环后，驱动装置驱动下压孔板对预制体进行压实；

S2、压实时，所述上压孔板用于承受加载并将承受的加载力传递至压力检测装置，所述压力检测装置用于检测预制体加载是否达到预设压力阈值，控制预制体均匀成型；

S3、所述压力检测装置将动态压力信号传输到控制器，所述控制器将当前加载值与预设压力阈值对比，若当前加载值小于预设压力阈值，则控制器输出脉冲信号驱动驱动装置继续加载；若当前加载值达到预设压力阈值，则指定预制体到达第二位置；

S4、预制体到达第二位置后，控制器接收位移信号并控制下压孔板移动到第三位置，准备编织进入下个循环。

7.根据权利要求6所述的软硬混编复合材料预制体压实方法，其特征在于：在步骤S3中，所述预设压力阈值由层间压力公式判定计算，当压实次数小于疲劳次数时，所述预设压力阈值随着编织层数以及压实次数的增大而增大；当压实次数大于或等于疲劳次数时，所述预设压力阈值为固定压力加载值。

8.根据权利要求7所述的软硬混编复合材料预制体压实方法，其特征在于：在步骤S3中，预设压力阈值的计算过程为：

当压实次数少于疲劳压实次数时，压实载荷随压实次数呈线性变化，基于胡克定律推导出以下公式，按照以下公式计算所述预设压力阈值：

其中，，/>；F表示预制体预设压力阈值；t表示预制体压实次数；n表示不同尺寸预制体截面中交织点数；G表示材料剪切模量；D表示将交织点假设为弹簧的中径值；d表示将交织点假设为弹簧的线径值；/>表示预制体每个循环的形变量；/>表示预制体每个循环的回弹量；

当压实次数大于等于疲劳次数时，压实载荷不随压实次数改变，按照以下公式计算，以下公式为不同尺寸预制体达到疲劳点后需设定的压力阈值：

其中，表示预制体压实疲劳次数点。

9.根据权利要求8所述的软硬混编复合材料预制体压实方法，其特征在于：在步骤S4中，第三位置是第一位置加上每次预制体增加的压实厚度后达到的位置；每次预制体增加的压实厚度由层间位移公式判定计算：

若压实次数小于疲劳压实次数时，按照以下公式计算：

若压实次数大于或等于疲劳次数时，每次增加的距离为固定值，计算公式如下：

。

10.根据权利要求6所述的软硬混编复合材料预制体压实方法，其特征在于：在步骤S4中，所述位移信号由光电传感器发出，所述光电传感器安装在所述第一位置、预制体编织上极限位置和下极限位置。