连续碳纤维增强感知一体化智能结构增材制造与性能研究

摘要

三维打印作为一种新兴增材制造技术，其工艺过程简单，可实现复杂结构的一体化快速成型，成为高端制造领域不可或缺的关键支撑技术。其中热塑性材料熔融沉积成型因其成本低、易操作而成为应用最为广泛的三维打印技术之一。但当前三维打印热塑性材料结构存在机械强度低、缺乏感知功能的不足，极大地影响了结构件的可靠性，成为亟待突破的关键难题。本文以高强度智能化结构件增材制造为研究目标，通过集成连续碳纤维实现结构件的增强和状态自感知。从连续碳纤维-热塑性材料三维打印设备与工艺入手，研究连续碳纤维增强热塑性材料结构件的力学性能，并在此基础上，提出基于连续碳纤维力阻特性的三维打印结构件状态自监测方法，最后研究连续碳纤维增强感知一体化智能结构的创新应用。
　　论文的主要研究工作和创新性成果归纳如下:
　　(1)研究连续碳纤维增强感知一体化智能结构件的增材制造方法和力学性能。根据热塑性材料熔融沉积成型技术原理，设计开发了并联臂单喷头连续碳纤维热塑性材料三维打印机和双喷头连续碳纤维热塑性材料三维打印机，并对工艺参数进行优化。重点研究打印结构件的力学性能，提出了适合三维打印结构件拉伸力学性能计算的改进混合定律计算方法和基于最大强度理论的弯曲力学性能计算方法。
　　(2)提出基于连续碳纤维力阻特性的三维打印结构件应力应变及结构损伤自监测方法。研究了三维打印连续碳纤维热塑性材料敏感元的传感机理与力阻特性。实验揭示了电阻相对变化率与应变之间存在双线性关系。基于梁弹性变形理论，提出了一种长标距一维力载荷监测方法，通过建立连续碳纤维热塑性材料阻值变化率与不同加载位置载荷间的对应关系，实现了一维变位置弯曲载荷的实时监测，最大监测误差为1.28％。针对大尺度结构件，提出一种连续碳纤维网格二维面域自监测方法，实现了载荷加载位置识别、变形场分布预测及结构损伤辨识。
　　(3)实现在增材制造结构件损伤检测及损伤自修复中的创新应用。借助双喷头三坐标打印机，在连续碳纤维增强感知一体化结构件内部构建双组份微脉管网络，实现了打印结构件的损伤检测与修复。设计了三种双组份微脉管修复体系:平面型、螺旋型和交叉型，通过压缩实验研究了三种修复体系的损伤修复效果，修复后最大承载能力分别提高14.04±3.37％、17.00±9.34％、18.24±6.19％。采用三点弯曲实验研究了直线型修复体系-连续碳纤维增强结构状态自监测及损伤自修复能力。整个加载过程中连续碳纤维热塑性材料敏感元力阻特性表现为典型的四阶段特性:阻值线性增加阶段、阻值下降阶段、阻值平稳阶段和阻值急剧上升阶段，分别对应不同的结构状态，实现了结构状态实时监测及损伤修复过程监测，实验获得平均修复效率为30.15±1.49％。
　　基于上述研究工作，论文建立了一种连续碳纤维增强感知一体化智能结构的增材制造新方法，研究成果可为高强度、高可靠、智能化结构件的设计与制造提供新思路和新途径。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 连续碳纤维增强结构增材制造相关研究现状

1．2．1 三维打印结构件力学性能增强技术研究现状

1．2．2 连续碳纤维增强三维打印结构相关研究现状

1．3 连续纤维增强结构件健康状态监测技术研究现状

1．3．1 结构健康状态监测方法

1．3．2 连续碳纤维增强结构件应力应变及损伤自监测相关研究现状

1．4 论文研究目标与主要研究内容

1．4．1 当前研究存在的不足

1．4．2 研究目标及拟解决的关键问题

1．4．3 主要研究内容与框架

1．5 小结

第2章 连续碳纤维增强感知一体化智能结构增材制造设备与工艺

2．1 引言

2．2 基于并联结构的连续碳纤维增强热望性材料三维打印机

2．2．1 在线实时混合喷头结构设计

2．2．2 并联臂三维打印机研制

2．2．3 打印工艺参数研究

2．3 双喷头连续碳纤维增强热塑性材料三维打印机

2．3．1 双喷头三维打印机结构设计

2．3．2 打印工艺过程

2．3．3 单双喷头连续碳纤维增强结构件打印效果比较

2．4 小结

第3章 连续碳纤维热塑性材料智能结构增强与感知理论研究

3．1 引言

3．2 连续碳纤维热塑性材料敏感元自感知原理

3．2．1 单向连续碳纤维复合材料力阻效应

3．2．2 三维打印连续碳纤维热塑性材料敏感元力阻特性分析

3．3 三维打印连续碳纤维增强结构件力学性能计算理论方法

3．3．1 基于改进混合定律的拉伸力学性能理论计算

3．3．2 基于各相材料最大拉压强度理论的弯曲力学性能计算

3．4 小结

第4章 连续碳纤维增强增材制造结构件力学与感知性能研究

4．1 引言

4．2 结构件力学性能增强研究

4．2．1 并联臂三维打印结构件拉伸强度增强效果研究

4．2．2 结构轻量化实验研究

4．2．3 拉伸力学性能计算及实验验证

4．2．4 弯曲力学性能预测及实验验证

4．3 连续碳纤维增强智能结构件力阻特性研究

4．3．1 连续碳纤维热塑性材料敏感元拉伸力阻特性研究

4．3．2 连续碳纤维热塑性材料敏感元弯曲力阻特性实验研究

4．4 小结

第5章 连续碳纤维增强增材制造结构件状态自监测方法

5．1 引言

5．2 长标距一维结构件力载荷监测方法

5．2．1 力载荷-位置-阻值变化率耦合相关性解析方程

5．2．2 力载荷-位置-阻值变化率耦合相关性实验验证

5．2．3 长标距一维结构件弯曲载荷自监测实验研究

5．3 大尺度结构件二维面域自监测方法与实验

5．3．1 二维面域状态自监测基本原理

5．3．2 传感网格构建

5．3．3 单点力载荷实验研究

5．3．4 多点力载荷仿真研究

5．4 小结

第6章 连续碳纤维增强感知一体化智能结构应用研究

6．1 引言

6．2 增强感知一体化智能结构在损伤检测及修复过程监测中的应用

6．2．1 连续碳纤维增强感知一体化智能结构损伤检测及修复原理

6．2．2 三维打印修复体系结构设计与实验

6．2．3 连续碳纤维增强感知一体化智能结构状态自监测及损伤修复实验

6．2．4 一体化智能结构损伤检测及修复性能评估

6．3 连续碳纤维增强感知一体化智能结构在人工指骨中的应用研究

6．3．1 增强感知一体化人工指骨结构设计

6．3．2 增强感知一体化人工指骨增材制造与实验研究

6．4 小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要科研成果及参加的科研项目