碳纤维凝固浴牵伸过程的虚拟仿真软件设计与开发

作     者：赵然 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩芳

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：三维动画 虚拟对象 碳纤维 虚拟实验技术 

摘      要：碳纤维是广泛应用于航空航天等领域的国家战略产品,但总体上讲,我国碳纤维产业现阶段整体发展水平仍与国外存在较大差距,难以建立具有高品质、高产量碳纤维生产能力的生产线。各高校相关实验室由于实验场地及资金的限制,不能广泛开展碳纤维生产线的研究和创新,因此需要一种可以再现碳纤维生产线凝固浴牵伸过程的虚拟仿真软件用于实验室的教学与科研。本课题研究将虚拟实验技术应用到碳纤维生产线凝固浴牵伸过程中,设计出能模拟碳纤维生产线凝固浴牵伸过程的仿真软件系统。1.通过3DSMAX和Unity3D制作碳纤维凝固浴牵伸过程三维场景。利用三维引擎技术搭建三维场景,三维场景中包括三维模型、地形、灯光等对象,可逼真的显示导丝辊速度、牵伸辊速度、凝固浴浓度、阀门开关开度。2.通过MATLAB建立碳纤维凝固浴牵伸过程的数学模型,用以驱动三维模型进行动态显示。利用机理建模的方式建立凝固浴牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系,当输入定量的导丝辊速度、牵伸辊速度、材料杨氏模量、塑性粘度、进液口流量、出液口流量,可计算出对应的牵伸倍数、塑性过程时间、凝固浴浓度和多项式曲线参数与高斯曲线参数。3.通过Visual Studio工具集中的Windows Form平台制作碳纤维凝固浴牵伸过程虚拟仿真软件人机交互模块。人机交互模块包括登录模块、数学模型模块、三维场景模块、输入参数模块、数据显示模块、数据通信模块、数据库模块、曲线显示模块。人机交互模块可以通过修改导丝辊速度、牵伸辊速度、纤维杨氏模量、纤维塑性粘度,改变碳纤维的牵伸倍数;还可以修改进液量和出液量,从而改变凝固浴DMSO溶液浓度,这两项修改可以并发进行互不干扰并在三维动画中显示。点击按钮可以显示牵伸倍数-时间曲线;点击对应按钮可通过多项式曲线拟合和高斯曲线拟合对牵伸倍数和时间进行拟合,并显示拟合曲线的各项参数。本文对设计的软件进行了实现和测试,测试表明本软件可在不同三维视角下,全方位地仿真碳纤维生产线凝固浴牵伸过程的运行方式。本软件可应用于高校实验教学及加深研究人员对碳纤维凝固浴牵伸过程实际环境的认识,可有效地控制实验与培训成本,降低在真实的凝固浴牵伸过程开展实验的风险。