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复合材料压力容器纤维缠绕机设计及分析

复合材料压力容器纤维缠绕机设计及分析

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作者：黄明君内蒙古工业大学

学位级别：硕士

复合材料压力容器是一种可靠性要求极高的内部承压产品,为使容器壁面均匀承压,可以采用纤维复合材料缠绕方法对其表面进行加固,该方法也广泛应用于航天、能源、化工、冶金等高承压、有高可靠性要求的领域。复合材料压力容器的纤维缠绕,... 详细信息

复合材料压力容器是一种可靠性要求极高的内部承压产品,为使容器壁面均匀承压,可以采用纤维复合材料缠绕方法对其表面进行加固,该方法也广泛应用于航天、能源、化工、冶金等高承压、有高可靠性要求的领域。复合材料压力容器的纤维缠绕,由纤维缠绕机来完成。纤维缠绕机工作中,纤维缠绕的线型、缠绕精度及缠绕张力的控制等直接影响着压力容器承压后的力学性能,因此缠绕机的工作性能直接决定着纤维缠绕复合材料压力容器的承压能力及可靠性。国内的数控纤维缠绕机由于受到控制技术和设备生产能力的制约,该类设备的技术水平仅局限在四轴联动范围,且自动化程度低,制品适应性及柔性差,无法保证高性能及复杂结构纤维缠绕复合材料制品的质量。目前国内使用的高精度数控缠绕机（三轴联动以上）,主要依靠购置国外设备。而大型纤维缠绕设备,尤其是五轴联动以上的设备,美国及欧盟等对我国有严格的出口限制。针对以上问题,论文以基于六自由度机器人平台的复合材料压力容器纤维缠绕机为研究对象,以除主轴旋转外,纤维缠绕过程全部由机器人完成且缠绕制品的形状不拘泥固定的模式,缠绕稳定性好、精度高、效率高、成本低为研究目标,主要进行了以下内容的研究:第一、完成了基于六轴机器人平台的复合材料压力容器纤维缠绕机主要零部件的结构设计;建立了整机三维实体数字化模型。第二、分析了复合材料压力容器测地线缠绕线型和落纱点轨迹,计算了机器人缠绕设备的缠绕轨迹,分析了不同恒定自由纤维长度下缠绕设备的运动状态。第三、在纤维缠绕轨迹计算的基础上,借助ADAMAS软件,建立了基于机器人平台的纤维缠绕机的动力学计算模型;计算分析了在纤维缠绕张力作用下,一个缠绕周期内,机器人缠绕设备关节内部的动力学效应,在产品成型前,检验了机器人缠绕设备的缠绕性能。第四、以ANSYS Workbench软件为平台,以动力学计算结果为载荷边界,对机器人纤维缠绕设备关键零部件的强度、刚度进行了瞬态动力学计算,检验了在动载荷作用下,各构件的承载能力。

关键词：复合材料压力容器机器人平台纤维缠绕机轨迹规划动力学计算有限元分析

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