基于激光加热固化的壳体成型技术研究

论文摘要

激光加热固化壳体成型技术是未来复合材料快速成型领域的热门研究技术。以传统的壳体成型为研究背景,分析了传统壳体成型关键技术,开展了激光固化壳体成型技术研究。根据激光固化成型系统的功能需求,设计了系统的加热装置和执行装置结构,提出了与之对应的控制方案和检测方案,并搭建了实验装置进行实验测试。根据生产需求,壳体成型速度有时需要调节,但速度的变化又受其它因素的制约,据此提出了一种可以快速响应的激光恒温动态加热技术。根据激光辐射理论,建立了激光加热固化壳体成型过程的动态恒温加热模型,得到激光功率与成型速度的数学关系。根据壳体成型系统对加热源形状及参数的要求,选择了半导体激光器作为加热源,应用光学设计软件对激光光束进行准直整形设计,得到适用于加热系统的矩形光斑。针对壳体成型过程中温度场的变化情况对壳体的成型质量具有重大影响的问题,构建了激光加热温度场的二维数学模型,确定了温度在传递过程中的边界条件。应用有限元分析软件对加热过程的温度场变化情况进行模拟仿真。根据论文研究需要,搭建了实验装置以验证两个数学模型(即利用激光作为加热源的恒温动态加热数学模型和有限元温度场仿真模型)的正确性。实验结果表明,两个数学模型的理论值和实验结果基本一致。

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ABSTRACT

第1章绪论

1.1 壳体成型技术的研究背景及其发展状况

1.1.1 壳体成型技术研究背景

1.1.2 传统复合材料壳体成型技术

1.2 激光固化壳体成型技术

1.2.1 激光固化壳体成型技术的优势及特点

1.2.2 激光固化成型技术国内外现状

1.3 课题研究意义与研究内容

第2章激光固化壳体成型总体技术

2.1 激光固化壳体成型系统基本组成

2.2 激光固化壳体成型系统的工作原理

2.3 激光固化壳体成型技术理论分析

第3章壳体成型激光加热技术研究

3.1 壳体成型系统动态温度控制理论

3.1.1 激光器辐射理论

3.1.2 材料带缠绕成型过程中动态温度控制方程

3.2 激光加热动态恒温控制技术

3.2.1 材料带缠绕速度检测

3.2.2 激光加热成型系统温度场检测

3.3 激光器的选择

3.4 激光光束的准直整形

3.4.1 激光光束的准直整形原理

3.4.2 激光光束的准直整形设计

3.5 激光器功率的控制

第4章激光固化壳体成型过程中温度场分布研究

4.1 基于ANSYS的温度场仿真分析

4.2 壳体缠绕成型过程中温度场数学模型的建立

4.2.1 几何模型的建立

4.2.2 二维传热模型的边界条件

4.3 材料带缠绕成型过程有限元模拟仿真

4.3.1 有限元控制方程

4.3.2 材料参数的确定

4.3.3 有限元几何模型的建立

4.3.4 壳体缠绕成型温度场模拟结果

4.3.5 壳体缠绕成型温度场模拟结果分析

第5章激光固化壳体成型装备技术研究

5.1 激光固化壳体成型系统执行装置设计

5.1.1 材料带张紧装置设计

5.1.2 位移装置的结构设计

5.1.3 铺放装置结构设计

5.2 激光固化壳体成型系统控制方案

5.2.1 运动单元控制方案

5.2.2 张力系统控制方案

5.2.3 压辊压力控制方案

第6章实验研究与分析

6.1 实验系统的搭建

6.2 动态加热温度方程控制系数的标定及模型验证

6.3 有限元仿真模型验证实验

6.3.1 温度采集系统的搭建及精度标定

6.3.2 材料带表面温度采集实验

6.3.3 实验结果及分析

6.4 系统温度场工艺参数分析与研究

第7章总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 创新点

7.3 后续工作展望

参考文献

附录 A

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李世涛

导师: 田明

关键词: 激光固化,壳体成型,在线监测,光束准直整形,温度场,有限元分析

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 长春理工大学

分类号: TN249;TB33

总页数: 69

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