（先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料由于其在厚度方向具有纖維分布而擁有較強(qiáng)的抗分層能力，近些年被廣泛應(yīng)用于高精尖技術(shù)領(lǐng)域[1]，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片[2]，衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)[3]，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯[4]等。由于航空航天裝備的快速發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵零部件的輕量化有了更嚴(yán)苛的要求，要求復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)可滿(mǎn)足尺寸大型化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化快速制備需求。三維結(jié)構(gòu)預(yù)制體作為三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的重要組成部分，對(duì)其也提出了高效、高質(zhì)量成形的要求[5]。復(fù)合材料三維預(yù)制體是由碳纖維束相互交織組合形成的三維織物，目前其成形方法主要有三維編織、三維機(jī)織、柔性導(dǎo)向三維織造技術(shù)等等[6]。

在預(yù)制體成形過(guò)程中纖維束的形態(tài)控制技術(shù)決定著成形的效率和質(zhì)量。目前對(duì)于纖維束形態(tài)的控制主要通過(guò)纖維張力調(diào)節(jié)，張力過(guò)大易與機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)量磨損，降低纖維束質(zhì)量[7]，張力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致織物內(nèi)部纖維束屈曲，影響性能的有效發(fā)揮。因此成形過(guò)程中的纖維束張力調(diào)控方法受到了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。東華大學(xué)的扈昕瞳針對(duì)三維軸向編織過(guò)程中的攜紗錠子對(duì)編織張力的影響進(jìn)行了建模研究，獲得了錠子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向[8]。張玉井對(duì)三維圓編織中的紗線摩擦情況和張力變化情況進(jìn)行了分析，優(yōu)化了對(duì)于不同編織結(jié)構(gòu)的編織工藝方法[9]。天津工業(yè)大學(xué)陳云軍等人搭建了適用于三維機(jī)織設(shè)備送絲系統(tǒng)的張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)織過(guò)程中的經(jīng)紗張力控制[10]。西安工程大學(xué)的邢圓圓設(shè)計(jì)了三維編織主動(dòng)攜紗器，利于編織過(guò)程中的張力調(diào)整與分析[11]。

數(shù)字化柔性導(dǎo)向三維多針織造技術(shù)，是在形成的導(dǎo)向陣列間隙中同時(shí)鋪放多束纖維束，一定層數(shù)后進(jìn)行壓實(shí)致密化，通過(guò)鋪設(shè)和壓實(shí)的交替進(jìn)行，最終形成致密的三維結(jié)構(gòu)預(yù)制體[12]。由于成形過(guò)程中需要對(duì)多束纖維束進(jìn)行張力調(diào)控，調(diào)控的方法和效果直接影響到壓實(shí)致密化工藝的進(jìn)行和導(dǎo)向陣列的整體穩(wěn)定性，進(jìn)而決定預(yù)制體的成形質(zhì)量，因此面向復(fù)合材料預(yù)制體柔性導(dǎo)向三維多針織造成形技術(shù)中的張力控制方法研究具有重要意義。

1 基于速度匹配的張力控制分析

基于復(fù)合材料預(yù)制體柔性導(dǎo)向多針三維織造成形原理，提出一種基于速度匹配的纖維束張力主動(dòng)控制方法，原理如圖1所示。張力邊棒作用于織造碳纖維束上，受到張力邊棒收卷電機(jī)的控制使碳纖維束的受力情況發(fā)生改變，進(jìn)而調(diào)控織造過(guò)程中的纖維束張力。

結(jié)合復(fù)合材料預(yù)制體柔性導(dǎo)向三維多針織造機(jī)構(gòu)特征，建立基于速度匹配的張力控制原理模型，如圖2所示。

圖1 基于速度匹配的張力控制原理示意圖

圖2 速度匹配張力控制原理模型

如圖2模型中所示，以O(shè)1為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向；A點(diǎn)為張力邊棒位置，其坐標(biāo)設(shè)為（x，y），O2點(diǎn)為織造針針尖位置，其坐標(biāo)為（s，h2）。圖中模型各參數(shù)物理意義如表1所示。

表1 基于速度匹配的張力控制模型物理意義表

根據(jù)圖2模型中各參數(shù)之間的幾何關(guān)系、張力邊棒受力平衡關(guān)系等，得到O2A段碳纖維束總張力T2與張力施加線長(zhǎng)度LF、針尖與導(dǎo)向陣列距離s的關(guān)系：

在纖維束總張力T2一定的情況下，求解LF與s之間的關(guān)系，由于公式存在超越函數(shù)，因此采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行求解。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室自制張力控制試驗(yàn)臺(tái)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定各參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算參數(shù)表

計(jì)算方法如下：

設(shè)0≤y≤h2-h1，0≤s≤0.25，設(shè)置初始y=0，s=0，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算x值，通過(guò)幾何關(guān)系求得張力施加線長(zhǎng)度LF，根據(jù)受力情況求得纖維束總張力T2；重復(fù)上述過(guò)程求得一系列的（LF，T2），計(jì)算步長(zhǎng)為Δy=0.001，Δs=0.01；根據(jù)纖維束總張力T2進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，選取最接近目標(biāo)控制張力的張力施加線長(zhǎng)度LF，獲得纖維束總張力T2一定的情況下針尖與導(dǎo)向陣列距離s與張力施加線長(zhǎng)度LF的關(guān)系，根據(jù)篩選結(jié)果，最大張力誤差ΔT2<0.5cN。

在不同設(shè)定張力條件下，織造過(guò)程中張力施加線長(zhǎng)度LF變化如圖3所示。

圖3 總張力T2為40cN情況下織造過(guò)程中張力施加線長(zhǎng)度LF變化情況

如圖3所示，隨著織造過(guò)程的進(jìn)行，張力施加線長(zhǎng)度LF近似線性變化，張力施加線長(zhǎng)度LF逐漸縮小，分別對(duì)不同張力條件下，針尖與導(dǎo)向陣列距離s與張力施加線長(zhǎng)度LF進(jìn)行線性擬合為下式：

在纖維束總張力T2為25cN、30cN、35cN、40cN條件下，各式線性擬合的擬合優(yōu)度R2分別0.99973、0.99985、0.99993、0.99993，各式擬合優(yōu)度均在0.999以上，可以認(rèn)為針尖與導(dǎo)向陣列距離s與張力施加線長(zhǎng)度LF滿(mǎn)足線性關(guān)系。因此可以通過(guò)調(diào)整初始的張力施加線長(zhǎng)度LF可以調(diào)控初始張力，再根據(jù)不同的初始張力，通過(guò)設(shè)定織造速度v、主動(dòng)收線線速度vr的速度匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)織造過(guò)程中的纖維束張力穩(wěn)定控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

基于實(shí)驗(yàn)室自制的張力控制試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示，進(jìn)行基于速度匹配的張力控制試驗(yàn)。其中試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)為表2中相關(guān)參數(shù)，張力邊棒選取直徑3mm、長(zhǎng)310mm的304不銹鋼棒，碳纖維使用兩束360mm長(zhǎng)的T300-3000碳纖維束，張力施加線使用尼龍線。

圖4 自制張力控制試驗(yàn)臺(tái)

設(shè)定總張力T2為40cN，根據(jù)針尖與導(dǎo)向陣列距離s與張力施加線長(zhǎng)度LF的線性擬合式(5)，將主動(dòng)收線線速度vr與織造速度v的比值設(shè)置為0.4898。織造速度v設(shè)定為10mm/s，因此求得主動(dòng)收線線速度vr為4.898mm/s。采用上述參數(shù)進(jìn)行織造過(guò)程中的張力控制試驗(yàn)，張力隨織造過(guò)程變化的結(jié)果如圖5所示。

圖5 織造過(guò)程中總張力T2變化情況（改為時(shí)間坐標(biāo)）

如圖5所示，織造過(guò)程中O2A段碳纖維束總張力T2一直保持在40cN左右，織造過(guò)程中織造張力均值39.8cN，最小值為36.6cN，最大值為41.9cN。織造張力均值與目標(biāo)張力控制值的相對(duì)偏差為0.5%，最大相對(duì)偏差8.5%，基于速度匹配的張力控制方法在織造過(guò)程中控制效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)復(fù)合材料柔性導(dǎo)向三維多針織造工藝特點(diǎn)，提出了基于張力施加線實(shí)時(shí)收線的纖維束張力主動(dòng)控制原理，通過(guò)織造過(guò)程中實(shí)時(shí)控制張力施加線長(zhǎng)度進(jìn)而調(diào)整張力邊棒位置，實(shí)現(xiàn)纖維束張力調(diào)控。根據(jù)織造張力主動(dòng)調(diào)控原理進(jìn)行了張力調(diào)控?cái)?shù)值分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在張力一定的情況下，張力施加線長(zhǎng)度與針尖到導(dǎo)向陣列距離s存在線性關(guān)系，因此通過(guò)調(diào)整初始的LF長(zhǎng)度可以調(diào)控初始張力，再根據(jù)不同的初始張力，通過(guò)設(shè)定v、vr的速度匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)織造過(guò)程中的纖維束張力穩(wěn)定控制?；谧灾频膹埩刂圃囼?yàn)臺(tái)，根據(jù)計(jì)算得到的控制參數(shù)進(jìn)行了織造過(guò)程張力控制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明織造張力均值與目標(biāo)張力控制值的相對(duì)偏差為0.5%，最大相對(duì)偏差8.5%。理論分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，基于張力施加線收線速度與織造速度匹配的纖維束張力主動(dòng)控制方法是可行的，該方法為復(fù)合材料柔性導(dǎo)向多針織造過(guò)程中張力控制提供了技術(shù)支撐。