（机械制造及其自动化专业论文）喷管模压成型过程温度控制系统的研究.pdf

太原理t ：大学硕十研究生学位论文 喷管模压成型过程温度控制系统的研究 摘要 随着复合材料成型工艺的发展，玻璃纤维复合材料不仅在民用工业中 获得了广泛的应用，而且成为航空航天工业中重要的工程材料。虽然复合 材料在航空航天工业中所占的份额较小，但大多为先进复合材料，代表了 复合材料的先进技术。复合材料在航天上主要用于固体火箭发动机燃烧室 绝热壳体结构，导弹和卫星导流罩结构，导弹防热材料及卫星的各种结构。 因此先进复合材料的成型技术直接关系到航空航天事业的发展。 本文针对目前喷管成型工艺过程中主要存在的喷管整体温度均匀性 差、控制过程受外界的干扰大、制备周期长、成品质量差等问题进行深入 研究。根据现有的工艺要求和设备，设计了解决的方案，并对方案的实际 效果进行仿真，仿真结果完全满足工艺的要求。 本文首先利用a n s y s i o 0 有限元软件对模具加热系统进行建模，在此 基础上对现有加热系统的瞬态温度场进行模拟，从满足工艺要求的加热速 率和温度均匀度两方面考虑，分析现有加热系统的弊端。分析结果同目前 的生产状况基本一致。 本文针对现有系统的弊端进行改进加热系统的设计，将现有存在耦合 的三个控制器设计为单一的控制器。在保证最大加热速率的前提下，通过 合理配置不同加热面的功率载荷，确保模具表面的温度均匀度满足工艺要 1 太原理f i 大学硕十研究生学位论文 求。在此基础上利用a n s y s 的时间历程后处理器对改进的加热系统进行分 析，获取对象的数学模型，为后续章节分析提供了依据。 本文对系统的控制原理，控制方式进行了深入研究。通过改变现有的 间断加热为连续可调的加热方式，以此提高控制精度，这在实际中是可行 的。在此基础上利用m 蜘。a b s i m u l i n k 软件，建立了喷管模压成型温度控 制系统的p i d 控制仿真框图，对传统p i d 控制效果进行了仿真分析。 由于喷管模压成型温度控制系统的特殊性，如系统材料的物性参数在 控制过程发生变化，成型过程伴随反应热的产生，系统受外界干扰的影响 大，系统具有大惯性，纯滞后等特点，所以，传统p i d 控制器的控制效果 不理想。为此，本文设计了喷管模压成型过程温控的模糊控制器，并对模 糊控制的效果进行了仿真。结果表明，基本模糊控制器存在偏差o 5 。c 的频繁抖动，保温段性能差的弊端。为了提高系统的控制精度和响应速度， 结合模糊控制器的响应速度快和p i d 控制器的稳态精度高的优点，本文进 一步研究了喷管模压成型温度控制系统的模糊参数自调整p i d 控制器，并 运用模糊参数自调整p i d 控制器对系统进行仿真，达到了无干扰时系统误 差在0 1 5 范围。在干扰存在时，模糊参数自调整p i d 控制的系统性能 优于p i d 控制和模糊控制，满足了模压成型过程温控的响应快、超调量小， 稳态精度高的要求。 关键词：喷管，温度控制，模压成型，a n s y s 有限元，参数自调整p i d ， 模糊控制 太原理i ：入学硕十研究生学位论文 r e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mo nt h ep r o c e s so f n o z z l em o u l dp r e s s i n g a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p o s i t em o l d i n gp r o c e s s ，g l a s s f i b r o u s c o m p o s i t ei s n o to n l yw i d e l yu s e di nc i v i l i a ni n d u s t r y ，b u ta l s ob e c o m e st h e i m p o r t a n te n g i n e e r i n gm a t e r i a l i n a e r o s p a c ei n d u s t r y a l t h o u g hc o m p o s i t e s s h a r es m a l l e ri na e r o s p a c e ，m o s to ft h e ma r ea d v a n c e dc o m p o s i t e ，r e v e a lt h e a d v a n c e dt e c h n o l o g yo fc o m p o s i t e i na e r o s p a c e ，c o m p o s i t ei sm a i n l yu s e di n i n s u l a t i o ns h e l ls t r u c t u r eo ft h es o l i dr o c k e te n g i n e sc o m b u s t i o nc h a m b e r ，t h e m i s s i l ea n ds a t e l l i t ed o m es t r u c t u r e ，h e a t r e s i s t a n tm a t e r i a l so fm i s s i l ea n d s t r u c t u r e so fs a t e l l i t e s oa d v a n c e dc o m p o s i t em a t e r i a l sm o l d i n gt e c h n o l o g y d i r e c t l yr e l a t e st ot h ea e r o s p a c ei n d u s t r y i nt h ee x i s t i n gp r o c e s so fn o z z l em o l d i n gw i t hm o u l dp r e s s i n g ，t h e r ea r e s u c hp r o b l e m s ：t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo ft h eo v e r a l ln o z z l ei sp o o r ，p r o c e s so f c o n t r o li sh i g h l ya f f e c t e db yo u t s i d ei n t e r f e r e n c e ，t h em a n u f a c t u r ep r e p a r a t i o ni s l o n g ，a n dt h eq u a l i t yo ff i n i s h e dp r o d u c t i sp o o r ，t h e r e f o r et h e t h e s i sd e e p l y ii i 太原理人学硕士研究生学位论文 r e s e a r c h so nt h ep r o c e s so fn o z z l em o u l dp r e s s i n g i na c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n t so fe x i s t i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t s ，a u t h o rd e s i g n s t h e s o l u t i o n ，h a ss i m u l a t e dt h ea c t u a le f f e c to ft h es c h e m e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t si s f u l l ys a t i s f i e dw i t ht h et e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , a u t h o rf i r s tu s e st h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s10 0t o m o d e lt h eh e a t i n gs y s t e mo fn o z z l em o l d ，o nt h eb a s i s ，t h er e q u i r e m e n t so f h e a t i n gr a t ea n du n i f o r m i t yo fn o z z l et e m p e r a t u r ea r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ， s i m u l a t e st h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i l e do ft h ee x i s t i n gh e a t i n gs y s t e m ，a n d a n a l y s e st h ed r a w b a c k so ft h ee x i s t i n gh e a t i n gs y s t e m t h ea n a l y t i c a lr e s u l t s c o n s i s tw i t ht h ec u r r e n tp r o d u c t i o nb a s i c a l l y a i m i n ga tt h ed r a w b a c k so ft h ee x i s t i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h et h e s i sd e s i g n s t h ei m p r o v e dh e a t i n gs y s t e m ，r e p l a c e st h ee x i s t i n gt h r e ec o u p l i n gc o n t r o l l e r s w i t ha s i n g l ec o n t r o l l e r e n s u r i n gt h ep r e c o n d i t i o no fm a x i m u mh e a t i n gr a t e ， t h r o u g ht h er a t i o n a la l l o c a t e dw i t hh e a t i n gl o a do nd i f f e r e n ts u r f a c e s ，t h et h e s i s e n s u r e st h e u n i f o r m i t yt e m p e r a t u r e o ft h em o l d ss u r f a c e ，s a t i s f i e sw i t h t e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t s o nt h eb a s i s ，u s i n gt h et i m eh i s t o r yp o s tp r o c e s s i o no f a n s y st oa n a l y s et h ei m p r o v e dh e a t i n gs y s t e m ，m a t h e m a t i c sm o d e l i n go ft h e s y s t e mi so b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h ea n a l y t i cb a s i sf o rt h ef o l l o w u ps e c t i o n t h et h e s i sm a k e sd e e ps t u d yi n t ot h et h e o r ya n dc o n t r o lm o d eo ft h es y s t e m b yc h a n g i n g t h e e x i s t i n gw a y o fi n t e r m i t t e n t h e a t i n g t o r e g u l a t i n g t h e c o n t i n u o u sq u a n t i t yo fh e a t ，t h ec o n t r o la c c u r a c yi s g r e a t l yi m p r o v e d t h e s c h e m ei sf e a s i b l ei np r a c t i c e o nt h eb a s i s ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ， 1 v 太原理i 人! 孚硕士研究生学位论文 t h ep i dc o n t r o l d i a g r a mo fn o z z l em o l d i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e da n dt h ec o n t r o le f f e c to ft h et r a d i t i o n a lp i di ss i m u l a t e d d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo fn o z z l em o u l dp r e s s i n gm o l d i n gt e m p e r a t u r e s y s t e m ，s u c ha st h ev a r i a t i o n a lp a r a m e t e r so ft h es y s t e mi nt h ep r o c e s so fc o n t r o l ， r e a c t i o nh e a ti nt h em o l d i n gp r o c e s s ，o u t s i d ei n t e r f e r e n c eg r e a t l ya f f e c t i n gt h e s y s t e m ，b i gi n e r t i aa n dp u r el a gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ，t h ee f f e c to ft h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o li sn o ti d e a l t h ep a p e rd e s i g n st h ef u z z yc o n t r o l l e ro ft h e n o z z l et e m p e r a t u r ec o n t r o lw i t hm o u l dp r e s s i n g ，a n ds i m u l a t e st h ec o n t r o le f f e c t o ff u z z yc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o ne f f e c ti n d i c a t e st h a tf u z z yc o n t r o l l e rh a st h e d r a w b a c k so ff r e q u e n tj i t t e ra te r r o r 0 5 。ca n dp o o rp e r f o r m a n c ea tt h ep h a s e s o fh e a t i n s u l a t i o n t oi m p r o v et h ec o n t r o l a c c u r a c ya n dr e s p o n s ev e l o c i t y , c o m b i n i n gt h em e r i to ff a s tr e s p o n s ew i t hf u z z yc o n t r o l l e ra n dh i g np r e c i s i o na t s t e a d ys t a t ew i t hp i dc o n t r o l l e r , t h et h e s i s f u r t h e r s t u d y i e s o nt h e f u z z y p a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n gp i df o r t h ep r o c e s so fn o z z l em o l d i n gw i t hm o u l d p r e s s i n g ，u s e sf u z z yp a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rt os i m u l a t et h e s y s t e m ，a n da c h i e v e se r r o r 0 1 5 。cw i t h o u ti n t e r f e r e n c e s y s t e mp e r f o r m a n c e o ff u z z yp a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n gp i di sb e t t e rt h a np i dc o n t r o l l e ra n df u z z y c o n t r o l l e rw i t h i n t e r f e r e n c e ，s a t i s f i e s w i t ht h e t e m p e r a t u r e c o n t r o lf a s t e r r e s p o n s e ，s m a l l e ro v e r s h o o t ，h i g h e rs t e a d ya c c u r a c yr e q u i r e m e n t so ft h en o z z l e m o ldi n gp r o c e s s v k e yw o r d s ：n o z z l e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，m o l d i n gw i t hm o u l dp r e s s i n g ， a n s y sf i n i t ee l e m e n t ，p a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n gp i d ，f u z z y c o n t r o l v i 太原理一：大学硕十研究生学位论文 0 一比热容，j ( 姆) k 一热传导率，w ( m m ) p 一密度，姆m m 3 q 一反应热，i d 幻 缈一功率，w q 一热流密度，w l m m 2 符号说明 h 一对流传热系数，w ( m m 2 ) s 一面积，m m 2 x 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作孝签名：塞丘卑e t i 蓼i ：一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：0 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：鎏二互l 牡日期：立型生皇一 导师签名：垄查塑日期：垒里2 兰：鱼：三： 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 复合材料模压成型技术及固化机理的研究现状 1 1 1 复合材料的发展 复合材料作为一种先进的工程材料，以其比强度和比模量高、耐疲劳性能好、破损 安全性能高、耐高温性、耐烧蚀、腐蚀性能好、良好的加工工艺性以及结构的可设计性 等诸多优点而被广泛地应用于航天、航空、汽车、造船、化工、机械、建筑和能源等各 个工程部门。 树脂基复合材料从上世纪八十年代起，率先应用于航空和航天结构中，目前其己从 用于制造几何形状简单、非承力零件和次承力构件发展到用于制造几何形状复杂的主承 力结构，例如飞机的机翼、机身、雷达罩和进气道；火箭的安定面、导弹的核装置座和 发动机壳体。 目前复合材料结构主要的成型工艺包括：手糊成型工艺、热压釜成型工艺、纤维缠 绕成型工艺、模压成型工艺和r t m 成型工艺等。喷管的复合材料成型工艺主要有传递 模塑，压缩模塑，缠绕成型。压缩模塑又称模压成型，工艺上已相当成熟，其最大特点 是模具结构简单，适用性强。当前固体火箭喷管已有不少部件采用这种工艺，但多为单 个零件，而内烧蚀面完全采用压缩模塑工艺的整体式喷管则仅用于小型战术导弹。压缩 模塑喷管的长处在于成本显著降低，整体式压缩模塑喷管制造时间为缠绕成型的6 7 ， 成本为缠绕成型的2 1 4 。因此从总体优化出发，它在成本方面的得益远可以补偿性能 上的损失，符合低成本发动机准则i l 】。本研究课题的喷管成型技术采用模压成型工艺。 1 1 2 复合材料模压成型技术概述 1 6 5 3 年，帕斯卡( p a s c a l ) 发现了液压机工作的基本原理，液压机的发明奠定了现代 模压成型方法的基础。2 0 世纪的f i i j 5 0 年，由于酚醛树脂的出现并被大量采用，模压成型 成为加工复合材料的主要方法。近来由于热塑性塑料的出现并可采用挤出和注射方法来 成型，使得模压成型加工的塑料总量逐渐降低。但模压成型仍是一种重要的塑料成型方 法，尤其在成型某些低成本、耐热等制品时，模压成型有其独特的优点。随着新的树脂 1 太原理r 火学硕十研究生学位论文 基热塑性和热固性模压料的出现，以及航天工业和汽车工业等的发展，模压成型正焕发 出新的活力。 模压成型工艺是在热压机上，把预热的复合材料置于被加热的模具型腔内，然后合 上模具，对材料加温加压使其固化成型的一种加工方法。由于模腔内的模压料所受的压 力较均匀，在压力作用下所产生的流动距离较短，形变量较小，且流动是多方向的因 此，制品的内应力很低。同时，成型设备的造价较低，其模具结构较简单，制造费用通 常比注塑模具或传递成型模具低，故适于多品种、小批量制品的生产，制品的成本也较 低。正因为这样，不少研究者采用模压成型试制新产品，或对新的聚合物材料和树脂基 复合材料的性能进行研究，以缩短试制周期【2 】o ( 1 ) 复合材料的模压成型工艺过程 模压成型中，通常把一定量被预热的复合材料置于被加热的模具型腔内，然后合上 模具，对材料施加压力，使之熔融成为粘流态而充满模腔，成型为制品；制品固化后， 开模，取出制品，并清理模具，开始下一成型周期，其成型过程如图卜1 所示。 囫霭秘 清理模具加料、合模固化开模，取出制品 图1 - 1 模压成型过程【2 l f i g 1 - 1m o l d i n gp r o c e s so fm o u l dp r e s s i n g ( 2 ) 模压成型的装置 模压成型设备主要包括模压机、模具和辅助设备。 模压机 模压机是模压成型的主要设备。模压机的作用是通过模具对模压料加压和加热。模 压机可分为液压式与机动式两类，目前使用的模压机基本上均为液压式。 模压成型模具 将模压料置于被加热的模压成型模具的模腔或加料室内，模具在模压机上闭合并被 2 疋常 太原理i 。人学硕十研究生学位论文 加压，模腔内的模压料在热和压力的作用下变为流动状态，充满整个模腔，最后成型为 制品。 模具加热系统 模压成型是在较宽范围的温度下进行的，且不同复合材料的模压温度是不同的。因 此，模压成型模具须设置有温度可调的加热系统。此外，应保证模具被均匀地加热，其 加热方式通常为电加热，也可采用蒸汽或过热水加热和油加热。其中电加热元件多为电 热棒和电热圈，其投资少，电热元件的尺寸紧凑，便于安装、维修、使用和更换，易于 调温和自动控制，但升温较慢，不能在成型中轮换地加热和冷却。蒸汽或过热水加热和 循环油加热适于既要加热又要冷却的模压成型。蒸汽加热的速度快，而模具的温度又不 会过高；过热水加热可避免蒸汽在模具内易积聚冷凝水而影响模具温度不均匀的缺点， 并可在过热水中直接渗入冷水来调节模具温度。本文的模具加热使用加热棒和电热丝。 ( 3 ) 模压成型用复合材料1 3 j 模压成型中的复合材料又称为模压料，复合材料是由基体材料和增强材料通过复合 工艺组合而成的新型材料，基体材料为连续相，纤维材料为分散相，复合材料既能保留 原组分材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料 设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。 增强材料：复合材料的增强材料是模压料的骨架材料，主要功能是显著提高机 体材料的机械性能，防止微裂纹的扩展。在微粒，薄片、纤维等各种形态的增强材料中， 纤维状增强剂的增强效果最好。因此，以聚合物为基体用作结构件的复合材料，大都以 纤维状材料作增强材料。 目前已广泛应用的增强纤维的品种有：玻璃纤维( p f ) 、碳纤维( c f ) 、氧化铝纤 维、碳化硅纤维等无机纤维，还有芳酰胺( 芳纶或k v l a r ) 纤维，超高相对分子质量聚 乙烯纤维等有机纤维等。 树脂基体：在复合材料的成形过程中，基体经过一系列的物理的、化学的和物 理化学的复杂变化过程，与增强材料复合为具有一定形状的整体。因此，基体材料的性 能直接影响复合材料的性能，复合材料的成型方法与工艺参数的选择，主要由基体的工 艺性决定。基体材料作为连续相，把单个的纤维粘成一个整体共同承载，发挥增强材料 的特性。在复合材料受力时，力通过基体传递给纤维，也就是说，基体起着均衡载荷、 传递载荷的作用。纤维只有在基体的支撑下才能承受压力，同时基体防止纤维弯曲。复 3 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 合材料的工艺性、制件的成型方法等都取决于基体。 模压成型使用的树脂基体材料8 0 0 0 - - - - 9 0 为热固性树脂，主要有酚醛树脂、不饱和 聚酯与氨基聚酯，而环氧树脂、有机硅塑料以及醇酸塑料等的用量则较少。 ( 4 ) 模压成型的主要工艺参数 包括模具温度、成型压力、加压时机与固化时间。 模具温度 模具温度是模压成型过程中的至关重要的工艺参数，在模压成型过程中，模具表面 的温度和模压料的实际温度是有一定差别的，但由于模压料处在阳模和阴模之间，其真 实温度是不可测的，因此通常用模具温度来间接替代模压料温度。不同的复合材料模压 成型时要求设定不同的模具温度，多数热固性模压料可在较宽的温度范围内发生交联。 模压成型过程中，如升温过快，因模压料本身导热性差，易造成树脂固化不均而产 生内应力，影响制品性能，甚至出现近热源处己固化而内部未固化物料不能流动等情形： 如升温较慢，则降低生产效率。因此制品升温速率除取决于模压料种类外，还随制品结 构复杂性、厚度增加而变慢。实际操作过程中常分阶段进行，且不同阶段其升温速率有 所不同，如装模后加压前升温速率可为1 - 2 * c m i n ，加压后则为1 0 2 5 l l 。大多数热 固性模压料必须加热至1 2 5 1 8 0 c ，以取得最佳的固化效果。温度过高会影响制品的 物理性能或电气性能：温度较低则要求较长的固化时间，从而降低生产效率1 4 j 。 成型压力与加压时机 模压料在模腔内的流动过程中，不仅树脂流动，增强材料也要随之流动，成型压力 便于物料充满模具型腔的各个角落，克服了物料中挥发物所产生的蒸汽压，避免制品产 生气泡、分层、结构松散等缺陷，使制品结构密实、机械强度提高。成型压力的大小与 树脂种类、模具温度、预热方法以及制品形状等有密切关系。 加压时机是指装模后在一定时间、一定温度条件下的适宜的加压操作。对大多数模 压料而言，装模后即加全压一般难以获得理想的制品，尤其对于些适于慢速成型的模 压料更是如此。因此，选择好的；o n j _ e 时机是非常重要的。加压过早，此时树脂固化交联 反应程度低，物料流动性大，在压力的作用下，物料流失严重，模压制品易产生树脂富 集、局部缺胶、纤维外露等问题：而加压过晚，树脂固化交联程度大、凝胶即将完成、 物料流动性差、不易充模，同样得不到理想的制品。只有当树脂反应程度适中，分子量 增加所造成粘度适度增加时，加压刊。能使树脂本身既能在热压下流动而又同时使纤维等 4 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 随同树脂一起流动，这样才能得到合乎要求的制品【5 】1 6 l 。 固化时间 固化时间直接影响模压成型的周期和固化程度，前者关系到生产效率，后者关系到 制品性能。恰当的固化时间应能缩短成型周期并保证制品充分均匀固化，使制品性能达 到最佳值。如果固化时间过短，制品芯部和外表的固化程度会有差异，从而导致制品厚 度方向强度的不均匀，甚至造成产品报废。模压料种类、制品壁厚、模具温度和模压料 预热情况等的不同，固化时间会有较大的差别。 1 1 3 复合材料成型过程固化机理的研究现状 大多数模压成型的热固性树脂是通过热引发反应进行固化的，而且固化反应是放热 的。固化反应的这两个特点使得热传递具有双重作用，即模具上的热量必须传给复合材 料使之开始固化，而固化反应产生的热量必须在其引起制品破坏之前发散掉。许多热固 性模压料在固化反应过程中能释放出大量的热，而固化过程是一物理化学的不可逆过 程i 若固化工艺条件控制不当，这些释放出的大量固化反应热会使模压料快速升温，极 大地缩短固化时间和降低固化反应的程度，引起复合材料性能的变坏，结果造成模压零 件的报废。因此在制定模压成型的工艺方案时，选择适当的固化工艺，使固化反应能缓 慢均匀地进行，那么上述现象可以完全避免。 目前，实际生产中固化工艺一般都采用台阶式低加热速率固化。低温台阶部分固化 使树脂慢速反应，有利于形成均匀固化网络结构，内应力小，树脂性能好；在高温使固 化反应完全，提高基体的力学性能和耐热性。台阶式固化有利于基体充分浸渍纤维，进 一步完成浸渍过程，排除界面细节气泡；低温台阶慢反应，容易控制加压点；但是，这 又可能带来成型周期长，经济效益低的问题。在实际生产中，固化通常是在避免热分解 出现的临界条件下进行的，以获得最大的生产效率。 任明法1 7 1 对固化工艺中复合材料缠绕层内温度场、固化度和力学性能变化进行耦合 分析，并用玻璃纤维聚酯树脂复合材料进行计算验证，得到固化过程中内衬与缠绕层内 不同节点的温度与工艺给定温度的比较曲线。谢怀勤1 8 j 等对模压成型工艺的温度与固化 度场进行了模拟研究。m v a l o n s o i9 j 用相同转化的分析方法，计算酚醛树脂和木质素酚 醛树脂这两种树脂在不同升温速率下的固化度曲线和不同固化度下的反应活化能，得到 酚醛树脂在不同固化度的活化能在5 0 8 0 k j t o o l 。j i n w uw a n g 1 u l 等用固化反应动力学的 5 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 三种计算方法对酚醛树脂的固化行为进行研究，得到三种计算方式下不同升温速率时的 固化率的比较曲线，从图中可以看出，随着升温速率的降低，固化度对时间的变化率逐 渐降低，即升温速率降低，固化过程及其缓慢，固化放热均匀缓慢。华幼卿【1 l 】等用d s c 方法研究了烧蚀材料钨酚醛树脂的固化反应及其动力学，从钨酚醛树脂固化剂试样不 同升温速度的d s c 固化曲线可以看出，当升温速率降低时，钨酚醛树脂固化时明显的 放热峰已几乎不存在，此时固化反应放热接近均匀。周大鹏1 1 2 】采用不同的升温速率对 不同o p 值四种酚醛树脂进行动态升温扫描，发现随着升温速率的增加，峰顶对应的温 度升高，而放热量减少。升温速率越快，相应的缩短了树脂的固化时间，从而降低了固 化反应程度，故放热量减少。同时计算得酚醛树脂的平均反应热在5 8 6 8 j g 的范围内， 即q 为5 8 - 6 8k j k g 。 本文的喷管模压成型的复合材料为高硅氧纤维氨酚醛树脂，一般而言，树脂占复 合材料组件3 0 - - 4 0 质量比率f 1 3 】，本文的复合材料的树脂质量百分率为4 0 ，固化过 程中纤维的性能不发生变化，没有反应热的产生。由于本课题研究的喷管模压成型过程， 升温速率缓慢，因此固化反应接近均匀放热。在此可以对酚醛树脂的反应热引起控制过 程温度升高作大致估算，以该计算结果作为制定固化工艺曲线的参考。 高硅氧纤维酚醛树脂的比热容为c p1 1 3 】： c p = 1 0 5 0 j 姆。( 1 0 0 。c )( 1 1 ) 单位质量的复合材料在固化过程的总放热量q ： q 1 = 1 x 4 0 x q = l x 4 0 x 6 8 = 2 7 k j k g( 1 2 ) 由以上的数据可以看出反应热相对于比热容是一个很大的量，该反应热的合理控制 是成型过程顺利完成的关键。由此可以看出制定低速率台阶式固化工艺的重要性。本文 的喷管模压成型的固化放热时间在1 4 0 分钟左右。 平均每分钟因反应热引起单位质量复合材料温度升高量丁为： 丁：旦。三! 兰! q q q ：0 。1 8 v m j n ( 1 - 3 ) f c 。 1 4 0 1 0 5 0 可见通过制定低速率的固化工艺，将会把固化反应的放热量引起单位复合材料的温 度升高控制在0 24 c m i n 左右，这时复合材料的固化反应热已不会引起材料的破坏。因 此，本文第三章温度控制系统中不考虑复合材料的放热量，只是将放热量作为一种干扰 6 太原理j ：人学硕十研究生! 学位论文 来分析系统对干扰的平衡能力。 1 2 课题的来源及研究意义 目前喷管成型工艺较研究多的是对材料的设计和改性【1 4 1 5 】【1 6 】，但对于成型过程的 温度控制系统的研究较少，在材料已定的前提下，温度控制系统的研究直接关系到喷管 的模压成型的质量，进而关系到火箭发射过程的重大安全问题。因此本文的喷管模压成 型温度控制系统的研究就显得尤为重要。 本课题“喷管模压成型过程温度控制系统的研究”是针对某企业的喷管模压成型 过程中存在的生产实际问题而提出的。目前企业的生产中主要存在成型过程模具整体温 度均匀性差、成型周期长、温度超调量大，产品质量差等缺点，在夏季和冬季生产难以 维持的严重现象。根据企业提供的模具系统的资料，本文通过p r o e 软件对喷管模具 系统进行建模，为后续热分析提供各个加热面的面积值。图1 2 所示即为建模得到的喷 管及其模具的装置示意图。 砖劳缮堍一_ 如“锄一；i 铆，a 瓣一罐 。一 ；7 y 图1 - 2 喷管模具装置示意图 f i g 1 2a s s e m b l ys k e t c ho fn o z z l em o u l d 1 一上压板，2 - 下压板，3 一加热棒，仁内模具，5 一喷管，仁外模具 喷管的模压成型过程是将喷管和内模具之间的复合材料在热压机的加压和电加热 棒加热的情况下，完成复合材料固化的一种成型过程。 模具加热系统是模压成型设备的一个非常重要的组成部分，该系统的设计合理性直 接关系到复合材料在成型过程构件不同部位的受热均匀性，而构件成型过程的受热均匀 7 太原理i ：大学硕士研究生学何论文 性直接影响复合材料的性能和构件的表面质量。研究复合材料温度控制系统的前提是对 其加热系统的设计。可想而知，如果加热系统的设计不合理，再高级的控制系统也无法 使系统的各项指标达到最佳。 企业目前喷管的成型过程主要是依靠上下压板上的加热棒的间接加热模具，同时在 外模具的上下端添j j n j n 热套以辅助加热，该加热系统同时设置三个独立的温度控制系 统，控制上、下压板和模具的中部温度，使得填压在喷管和内模之间的模压料在工艺要 求的固化温度下完成固化过程，最终在喷管的内表面形成一个约四毫米的模压料层。 目前的加热方式是上下压板的加热功率各为3 0 k w ( 由八根加热棒加热) ，外模上 端面施加加热功率为0 9 k w 电热丝，下端面施加1 6 k w 的电热丝。现有控制过程存在 模具上下端的温度均匀性差，只能靠延长时间使模具中部与上下端温度基本一致。在上 下压板上和模具的中间各有一测温点，组成三个独立的控制器，目前上下压板的工艺控 制温度同中部相差3 0 ，其工艺参数的制定是对固化工艺参数一种经验性的参考，缺乏 科学的依据，模具上下端的温度相差1 0 左右，远远超过工艺要求的温度均匀度5 。 同时上下压板的控制对模具中部温度的耦合严重，模具温度控制滞后太大，温度控制的 超调量也远不止工艺要求的3 。因此，设定合理的加热方案是研究温度控制系统的首 要问题；它对提高复合材料的性能和功用具有实质性的意义，对推动复合材料的发展也 具有重要意义，因此本课题为复合材料模压成型过程设计的加热方案尤为重要。 设计合理的加热方案和选择滞后较小的测温点是研究温度控制系统的第一步，接下 来就是如何使温度控制系统较好的跟踪固化工艺曲线。对于任何加工过程而言，过程控 制都是基本要素，复合材料的加工也不例外。复合材料的模压成型过程中，材料在加工 过程中其性能发生变化引起工艺的扰动，无法对成型过程的物理本质进行精确建模。因 此，模压成型的温度控制系统目的就是要排除工艺的扰动，保证工艺过程的正确输出。 经典p i d 控制理论在对数学模型确定系统的控制过程中能产生较高的控制精度，整 定过程方便，也具有简便的控制算法。但对复合材料的模压成型过程而言，由于材料在 固化过程发生变化，没有准确的数学模型，同时复合材料固化成型过程是一个物理和化 学反应同时进行的过程，温度控制超调将引发不可逆的材料性能的改变。如果温度控制 不能满足工艺要求，最终喷管内表面的模压料层的性能将发生改变，而模压料性能的改 变超过工艺要求，轻者造成零件的报废，影响企业的经济效益；重者在火箭发射过程中 将会造成灾难性的后果。因此本文的喷管模压成型温度控制系统的研究具有重要意义。 8 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 模糊控制是近十多年来发展起来的一种新型的控制方法，它反映了人类思维的智能 性，具有较好的鲁棒性和适应性，对于改善纯滞后和非线性对象具有积极的作用，被广 泛的应用在线性和非线性复杂控制系统中。 因此，合理的设计模具的加热方案，使模具受热均匀，同时探讨新型灵活的、适用 于工程实际、对于系统的稳态误差和超调有良好控制能力的“模糊控制器”，是解决本 课题的关键。 1 3 模糊控制系统的发展及应用 喷管模压成型温度控制系统中，目前普遍采用p i d 控制系统。p i d 控制控制对于有 确定模型的系统控制具有一定的优点，但是对于复合材料的模压成型过程，由于控制过 程不可能直接测量到模压料的温度( 模压料处在喷管嵌件和内模具之间，嵌件的外侧还 有外模具) ，同时成型过程固化反应放热量也是升温速率的函数，即升温速率的大小直 接关系到放热量的大小，而放热量的大小对复合材料的性能改变起着极为重要的作用， 因此传统的p i d 的控制已远远不能满足模压成型的温度控制系统的需要。 1 3 1 模糊控制技术的概述 自1 9 6 5 年，美国加州大学的l a 扎德( z a d e h ) 教授发表“模糊集”的论文后， 一些学者很快就把模糊集这一思想引入到系统的控制中，提出了模糊控制( f u z z y c o n t r 0 1 ) 的概念，并开展了理论研究、试验室仿真和工业项目的实际应用。现代工程技 术、生态等领域的研究对象往往是十分复杂的系统，对这类系统难以用常规的数学方法 来建立准确的数学模型，需要用学习、推理或统计意义上的模型来描述实