复合材料作为一种先进的工程材料,以其比强度和比刚度高,抗疲劳性能、耐腐蚀及性能可设计等诸多优点,被广泛应用于航空航天、船舶舰艇、汽车风电、能源化工等领域的主体结构和主承力结构。由于预浸带铺放时材料改性与制品结构成型是同时进行的,因此最终预浸带铺放制品的性能对铺放工艺过程十分敏感,成型工艺影响着预浸带铺放制品的质量。由于预浸带铺放工艺自身的复杂性,在铺放过程中工艺不合理或参数匹配不当,将会导致制品产生制备缺陷和尺寸、形状偏差,从而影响最终制品的使用寿命和服役性能。由于预浸带铺放成型工艺技术可大大提高生产效率,并且可通过精确的成型工艺控制能极大地提高铺放制品质量,是近年来发展最快、最有效的低成本复合材料制造的关键技术。迄今为止,国内外对预浸带铺放技术以及制品性能进行了大量的研究,但也存在着一些问题,主要表现为:(1)预浸带铺放过程中工艺参数的控制、匹配对制品性能的影响机理尚不明确。(2)预浸带铺放制品缺陷的形成、分布、种类与成型工艺参数之间的关系,以及缺陷对制品性能影响机理等方面的研究欠缺。为探索上述问题,以预浸带铺放制品的性能取决于预浸带结构、组分及铺放工艺为出发点,围绕工艺参数(张力、速度、压力、温度)对预浸带铺放制品性能(物理性能、力学性能)以及制品缺陷的影响规律为主要研究内容,采用理论研究、仿真分析与工艺实验相结合的方法,对以下几个方面的内容进行了详细研究。(1)预浸带铺放工艺技术研究:预浸带铺放是预浸带发生物理状态(几何形状、变形等)和化学状态(分子结构、交联等)变化的复杂过程。建立预浸带铺放时的工艺参数模型及热-力耦合模型,研究预浸带在铺放工艺参数作用下的变形规律和可铺放性。探明预浸带在铺放时的物理和化学转变机制,为实现基于性能的工艺调控方法奠定基础。(2)预浸带铺放制品性能分析及微观组织表征方法研究:首先通过对预浸带铺放制品的弹性性能、强度性能、热膨胀性能及热传导性能进行理论研究,建立铺放制品的理论预测模型。其次利用场发射电镜(FE-SEM)对预浸带铺放制品的微观结构进行观察分析,可知制品的微观缺陷主要有孔洞、基体裂纹、界面层剥落。进一步分析得出基体裂纹、界面层剥落产生于纤维与树脂基体热膨胀系数的不匹配,而孔洞的产生与铺放工艺有关。进一步地研究工艺参数、预浸带材料等因素与制品缺陷的关联性,揭示缺陷的形成规律、影响因素和调控原理。为减少或避免预浸带复合材料制品缺陷提供理论指导。(3)成型工艺参数对制品性能的影响研究:通过数值仿真与实验相结合的方法,利用ABAQUS、MSC.Patran/Nastran等有限元软件建立参数化的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)的细观模型,通过施加合理的载荷及边界条件,对铺放工艺参数作用下预浸带复合材料制品的力学性能、物理性能进行研究。在研究制品缺陷对性能的影响时,在RVE模型中采用删除网格的方法置入相应的制备缺陷。采用有限元计算细观力学方法(Finite Element Computational Micro-mechanics,FECM)预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时制品的弹性参数和热膨胀系数。通过建立预浸带铺放时的热-力耦合模型,利用有限元仿真的方法研究了不同温度和压力参数条件下制品的残余应力。并对结果进行分析,得到各个因素对残余应力的影响规律。(4)基于性能的成型工艺参数调控方法研究:首先,提出了一种基于鲁棒扩展卡尔曼滤波器(Robust Extended Kalman Filter,REKF)的模糊PID(Proportion Integration Differentiation,PID)张力控制算法。基于所搭建的铺放张力控制系统实验平台对所设计算法的仿真结果进行了实验验证,与传统模糊PID控制相比,基于REKF的模糊PID控制器具有较强的抗干扰性和鲁棒性,其可将铺放张力的控制精度提高40%~42%。其次,提出粒子群优化的模糊PID铺放压力调控方法。为了增加压力调控系统的稳定性和自适应能力,使用粒子群优化算法对PID控制变量进行优化,构建了一个自适应优化模糊参数的PSO(Particle Swarm Optimization,PSO)模糊PID控制器作为铺放压力系统的控制算法,并对该算法进行了仿真和实验研究。最后建立了预浸带铺放时温度场的数学模型,分析了铺放过程中温度场的分布;利用ABQUS有限元软件对整个铺放过程进行建模及仿真,研究了铺放温度对预浸带粘性、刚度以及铺放效果的影响。