摘 要

Abstract 2

第1章 绪 论 1

1.1 纤维成型工艺 1

1.2 纤维的优点 1

1.3 纤维缠绕成型技术 2

1.4纤维铺放技术 3

1.5铺放机分类 4

1.6纤维铺放技术在国内外的发展情形 4

1.7研究铺放设备的目的和意义 5

1.8本课题主要研究的内容 5

第2章 铺放头的设计与建模 6

2.1 铺放机的概述 6

2.2 铺放头的设计 6

2.2.1纤维铺放头的整体方案设计 6

2.2.2放带卷机构的设计 7

2.2.3收面纸机构的设计 8

2.2.4 切割机构的设计 9

2.2.5重送模块 13

2.2.6加热装置 17

2.2.7压头机构 18

第3章 铺放头的建模，改进和安装 21

第4章 总结 23

4.1设计小结 23

4.2未来展望 23

参考文献 24

致 谢 26

摘 要

CFRP（碳纤维增强塑料）因为其具有良好的性能，已经广泛应用于飞机，航天，火箭，化工，汽车，医疗器材，纺织等各个领域。自动碳纤维铺放技术在国外已经相当成熟，而我国与国外的先进技术仍有相对较大的差距，因此对于纤维铺放技术的研究能为国家的发展带来重大的意义。对于纤维铺放技术来说，其主要功能实现使用铺放机达成的。铺放机在现代的工艺生产中具有广泛的应用，其主要核心元件为铺放头，铺放头决定了整机的的机械性能。

这次设计的主题是主要针对碳纤维的铺放头，主要对他进行结构上的设计和功能仿真。通常铺放头安装在铺放机上使用的，他们共同工作来完成铺放。对于铺放头来说，它的主要模块有切割机构，重送机构，放卷机构，压紧机构，回收机构，加热机构。

关键词：碳纤维；铺放头；结构设计与仿真

Abstract

Because of its good performance, CFRP (carbon fiber reinforced plastic) has been widely used in aircraft, aerospace, rocket, chemical, automotive, medical equipment, textile and other fields. Automatic carbon fiber placement technology is quite mature in foreign countries, and there is still a relatively large gap between advanced technologies in China and abroad. Therefore, research on automatic fiber placement technology has relatively great significance for China. The laying technology is mainly realized through a paving machine. The placement machine has a wide range of applications in modern process production. Its main core component is the placement of the head, and the placement head determines the mechanical properties of the entire machine.

This topic is mainly the carbon fiber structure design and simulation of the placement head. The placement head is mounted on a common placement machine to complete the placement. The main modules for placing the head include cutting device, unwinding device, placing pressing device, heating device, bottom paper recycling device and so on.

Key Words: carbon fiber; placement head; structure design and simulation

第1章 绪 论

1.1 纤维成型工艺

纤维材料在复合材料中占有很高的地位。本文说研究的碳纤维是属于纤维材料中的一种，它主要是指纤维材料中其含碳的比例占据九成以上的纤维。碳纤维材料和我们常见的普通碳材料有明显的不同，一般我们见到的碳材料是较为坚硬的，而碳纤维相比其更加的柔软，而且碳纤维在外观上也有明显的不同，具有明显的各向异性，并且能加工成纺织品，它的耐高温能力强，耐摩擦的能力也很强，而且它在导电导热上也明显优于一般碳材料，它还具有高强的抗腐蚀能力，并且在纤维的轴线方向其强度很高它这一特性通常用来做铺放材料。碳纤维材料并不是自然收集的得到的，它是人们通过各种加工来得到的合成纤维，在加工中常由热处理来使纤维不熔化，并经过氧化碳化石墨化处理。

在无机高分子纤维中碳含量的不同对应的材料名称和特性也不同，其中碳纤维是含九成以上碳的材料，而对于碳在0.99以上的材料我们称它为石墨纤维。碳纤维拥有较高的轴向强度，在长时间工作下材料也不容易发生疲劳而影响其性能，具有很好的耐热和导电性能主要是在金属和非金属之间，在加热的条件下自身体积变化不大，在腐蚀的条件下也能放置较长的时间，它自身质量轻，透气性好。然而，它的抗冲击性较差，容易被破坏。在强酸的作用下，会发生氧化反应。在碳纤维在金属上使用的时候，会发生这些反应金属的碳化，电化学腐蚀。因此在使用它之前需要对其进行表面处理，才能保证性能的良好。通常属碳化和电化学腐蚀发生在金属结核时，如果强酸性的物质作用在碳纤维上面，碳纤维材料容易被氧化。

在上世纪50年代，碳纤维被开始运用到许多高端的科学领域，主要是在火箭、航空飞机等领域，现在碳纤维被运动到更广泛的领域，有医疗、体育、化工、纺织等^[1-1]。伴随着新材料技术的发展，使科学工作者们不断的把材料的性能提高，以满足时代发展的需求。所以性能更加优越的碳纤维材料随着时间的流逝不断出现，标着这碳纤维的发展更进一步。

1.2 纤维的优点

碳纤维为对于材料大家族来说是一种新材料。它具有非常良好的力学性能，且他的自身重量远远比传统的钢材轻，大约不到钢的0.25，不仅如此碳纤维的抗拉强度也远远比钢要强，大约是钢材的7-9倍，通常都在3500MPa，它的抗拉能力也比钢强，大约为24000-42000MPa^[2-1]。因此CFRP的比强度大约高于2000Mpa/(g/cm3)，比强度是指材料的强度与它的密度的比值，对于A3钢来说，它的大小约为60Mpa/(g/cm3)，并且CFER的比模量也优于钢材^[2-2]。碳纤维材料拥有很多优良的特性，比如它的轴向强度很高，密度低可使物体质量更轻，这样带动物体所需的能量就会减少，达到节能的目的，它的模量也高，虽然他具有良好的耐高温性能，但是在超高温氧化的环境中易发生氧化变质，在通常条件下耐腐蚀性好，它的抗疲劳强度高，还具有良好的透气性。良好的导热性，电磁屏蔽等。

1.3 纤维缠绕成型技术

缠绕过程是将浸渍树脂胶粘剂的连续纤维胶带缠绕在模芯上，然后固化、剥离和获得产品的过程。根据树脂的状态我们可以对缠绕进行一个大致的分类，主要分为以下三种缠绕方式：干法，湿法半干法缠绕。

1. 干法缠绕是将预浸渍过的纱布或预浸渍胶带，在加热变软成粘性物体后，在模芯上进行缠绕。因此，使用干法，我们可以精准的把我产品的质量。通过干法缠绕我们得到的产品具有这些特点：生产效率高，缠绕的速度可以达到100-200米/分钟^[2-3]；由于干法的工作环境是干的，所以不会有液体溅出使得工作环境很干净，对于机器的保洁和保养也很好，由于严格控制材料的比例，所以生产出来的产品质量也很好。但干法生产也有一些缺点，一般来说干法缠绕机的价格昂贵，还需要增加铺放原料的生产设备，只适合大规模生产，不然无法回收成本，而且它所铺放的那一层纤维的的抗剪切能力较低。

(2)湿法缠绕是直接将纤维带预浸后，直接铺放在待铺放物上。湿法和干法相比有一个最直接的优点，就是湿法的成本比干法低，将近40个百分点^[2-4]。用湿法生产出来的产品具的气密很好，因为张力会使树脂胶挤出多余的气泡，来使铺放层没有气孔；纤维排列平行；在铺放的时候，树胶可以很好地起一个润滑作用，使得纤维带的磨损减小。生产效率高(2米/分钟)^[2-6]。但湿法也有一些缺点：树脂虽然能减小磨损但这种形式会使大量的树脂在这过程中浪费，而且树脂也会对生产环境造成不好的影响。胶量和成品质量不容易控制。用湿法处理的树脂较少。

(3)半干法缠绕是纤维浸入树脂之后，在没有开始缠绕的那一段的路径中，我们为其加一个烘干的设备的过程。