碳纤维热塑性复合材料具有可原位成型、回收性和环保性好、易存储等特点,越来越受到人们的青睐,在航空航天、轨道交通、油气管道等军民领域有广泛的应用前景。缠绕工艺是一种自动化的纤维增强复合材料成型方法,将其用于热塑性复合材料成型,有望实现热塑性复合材料高效、高质、低成本成型。本文将围绕热塑性复合材料缠绕原位固化成型工艺展开研究,旨在探索关键工艺参数对其成型质量的影响。热塑性复合材料缠绕过程中,需要经历树脂熔融-粘结-固化过程,温度场分布对其层间结合强度有至关重要的影响。本文对热塑性缠绕过程进行分析,建立了缠绕过程的几何模型,设定了其边界条件,建立了缠绕过程的热传导数学模型。开发了基于Abaqus的UMAT移动热源子程序,建立了缠绕过程的三维瞬态传热有限元模型,得到了缠绕过程中缠绕速度、缠绕层数等对温度分布的影响。通过对缠绕实验中温度分布的监控,验证了传热模型的正确性。面向热塑性复合材料缠绕设备,设计搭建了一套差速式张力控制系统,建立了其系统的控制模型,得到了系统的开环传递函数,对系统的稳定性和快速性进行了分析。分别设计了经典PID控制算法和积分分离非线性PID控制算法,对比分析了在不同算法下料盘直径、信号波动等对系统快速性、稳定性的影响。编写了两种算法的PLC程序,进行了张力实验,验证了算法的有效性。针对热塑性复合材料非测地线缠绕时易出现松紧边,会导致发生褶皱缺陷的现象。以椭球封头压力容器为例,设计了回转体的测地线缠绕轨迹。分别建立了四坐标和五坐标缠绕轨迹解算模型,分析了不同坐标数目对预浸带缠绕的影响,避免缠绕褶皱的出现。选择缠绕速度,加热温度,缠绕张力三个工艺参数设计了正交试验,制备了9组NOL环样件。对其进行了显微观察,测试了不同工艺参数下样件的层间剪切强度,通过响应曲面分析获得工艺参数对于制件性能的影响规律。结果显示:在所选参数范围内,缠绕速度对层间强度的影响较小,随着温度和张力的增加,层间强度提高,但达到一定值之后,温度和张力继续增加,层剪强度反而降低。