基于速度匹配的復合材料三維織造張力控制方法研究

（先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100083）

0 引言

三維結構增強復合材料由于其在厚度方向具有纖維分布而擁有較強的抗分層能力，近些年被廣泛應用于高精尖技術領域[1]，如航空發動機風扇葉片[2]，衛星桁架結構[3]，固體火箭發動機喉襯[4]等。由于航空航天裝備的快速發展，對關鍵零部件的輕量化有了更嚴苛的要求，要求復合材料構件的制造技術可滿足尺寸大型化，結構復雜化快速制備需求。三維結構預制體作為三維結構增強復合材料的重要組成部分，對其也提出了高效、高質量成形的要求[5]。復合材料三維預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、三維機織、柔性導向三維織造技術等等[6]。

在預制體成形過程中纖維束的形態控制技術決定著成形的效率和質量。目前對于纖維束形態的控制主要通過纖維張力調節，張力過大易與機械結構產生過量磨損，降低纖維束質量[7]，張力過小會導致織物內部纖維束屈曲，影響性能的有效發揮。因此成形過程中的纖維束張力調控方法受到了相關研究者的廣泛關注。東華大學的扈昕瞳針對三維軸向編織過程中的攜紗錠子對編織張力的影響進行了建模研究，獲得了錠子結構的優化方向[8]。張玉井對三維圓編織中的紗線摩擦情況和張力變化情況進行了分析，優化了對于不同編織結構的編織工藝方法[9]。天津工業大學陳云軍等人搭建了適用于三維機織設備送絲系統的張力控制系統，實現了機織過程中的經紗張力控制[10]。西安工程大學的邢圓圓設計了三維編織主動攜紗器，利于編織過程中的張力調整與分析[11]。

數字化柔性導向三維多針織造技術，是在形成的導向陣列間隙中同時鋪放多束纖維束，一定層數后進行壓實致密化，通過鋪設和壓實的交替進行，最終形成致密的三維結構預制體[12]。由于成形過程中需要對多束纖維束進行張力調控，調控的方法和效果直接影響到壓實致密化工藝的進行和導向陣列的整體穩定性，進而決定預制體的成形質量，因此面向復合材料預制體柔性導向三維多針織造成形技術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

基于復合材料預制體柔性導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的控制使碳纖維束的受力情況發生改變，進而調控織造過程中的纖維束張力。

結合復合材料預制體柔性導向三維多針織造機構特征，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O1為原點建立坐標系，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向；A點為張力邊棒位置，其坐標設為（x，y），O2點為織造針針尖位置，其坐標為（s，h2）。圖中模型各參數物理意義如表1所示。

表1 基于速度匹配的張力控制模型物理意義表

根據圖2模型中各參數之間的幾何關系、張力邊棒受力平衡關系等，得到O2A段碳纖維束總張力T2與張力施加線長度LF、針尖與導向陣列距離s的關系：

在纖維束總張力T2一定的情況下，求解LF與s之間的關系，由于公式存在超越函數，因此采用數值計算的方法進行求解。

根據實驗室自制張力控制試驗臺相關結構參數，設定各參數如表2所示。

表2 計算參數表

計算方法如下：

設0≤y≤h2-h1，0≤s≤0.25，設置初始y=0，s=0，根據幾何關系計算x值，通過幾何關系求得張力施加線長度LF，根據受力情況求得纖維束總張力T2；重復上述過程求得一系列的（LF，T2），計算步長為Δy=0.001，Δs=0.01；根據纖維束總張力T2進行數據篩選，選取最接近目標控制張力的張力施加線長度LF，獲得纖維束總張力T2一定的情況下針尖與導向陣列距離s與張力施加線長度LF的關系，根據篩選結果，最大張力誤差ΔT2<0.5cN。

在不同設定張力條件下，織造過程中張力施加線長度LF變化如圖3所示。

圖3 總張力T2為40cN情況下織造過程中張力施加線長度LF變化情況

如圖3所示，隨著織造過程的進行，張力施加線長度LF近似線性變化，張力施加線長度LF逐漸縮小，分別對不同張力條件下，針尖與導向陣列距離s與張力施加線長度LF進行線性擬合為下式：

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度R2分別0.99973、0.99985、0.99993、0.99993，各式擬合優度均在0.999以上，可以認為針尖與導向陣列距離s與張力施加線長度LF滿足線性關系。因此可以通過調整初始的張力施加線長度LF可以調控初始張力，再根據不同的初始張力，通過設定織造速度v、主動收線線速度vr的速度匹配關系，實現織造過程中的纖維束張力穩定控制。

2 試驗結果與討論

基于實驗室自制的張力控制試驗臺，如圖4所示，進行基于速度匹配的張力控制試驗。其中試驗臺關鍵參數為表2中相關參數，張力邊棒選取直徑3mm、長310mm的304不銹鋼棒，碳纖維使用兩束360mm長的T300-3000碳纖維束，張力施加線使用尼龍線。

圖4 自制張力控制試驗臺

設定總張力T2為40cN，根據針尖與導向陣列距離s與張力施加線長度LF的線性擬合式(5)，將主動收線線速度vr與織造速度v的比值設置為0.4898。織造速度v設定為10mm/s，因此求得主動收線線速度vr為4.898mm/s。采用上述參數進行織造過程中的張力控制試驗，張力隨織造過程變化的結果如圖5所示。

圖5 織造過程中總張力T2變化情況（改為時間坐標）

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

3 結語

根據復合材料柔性導向三維多針織造工藝特點，提出了基于張力施加線實時收線的纖維束張力主動控制原理，通過織造過程中實時控制張力施加線長度進而調整張力邊棒位置，實現纖維束張力調控。根據織造張力主動調控原理進行了張力調控數值分析，根據計算結果在張力一定的情況下，張力施加線長度與針尖到導向陣列距離s存在線性關系，因此通過調整初始的LF長度可以調控初始張力，再根據不同的初始張力，通過設定v、vr的速度匹配關系，實現織造過程中的纖維束張力穩定控制。基于自制的張力控制試驗臺，根據計算得到的控制參數進行了織造過程張力控制試驗，試驗結果表明織造張力均值與目標張力控制值的相對偏差為0.5%，最大相對偏差8.5%。理論分析與試驗結果表明，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控制方法是可行的，該方法為復合材料柔性導向多針織造過程中張力控制提供了技術支撐。