项目简介

1.项目的立项背景、重要性和意义 碳纤维缠绕制品因其高比强度、高比刚度与轻量化特性，广泛应用于航空航天、武器装备、氢能储运、医疗卫生等领域。然而传统纤维缠绕技术采用单丝嘴供纱，其制品存在同层纤维交叉导致的局部应力集中，且生产效率低的问题，严重制约了纤维缠绕技术的推广应用。本项目于国内首次提出了多束碳纤维同步缠绕理论及其空间分布式协同驱动构型原理，通过设计纤维群同步运动轨迹，研究多丝束空间悬垂及柔性特征对落纱轨迹的影响，开发了多束纤维平行无间隙缠绕工艺；进而搭建了多吐丝嘴同步缠绕装备，通过动力学设计方法进行位姿纠偏，提升其运动性能；同时，采用分数阶模型精确表征丝束张力的非线性特征，设计了缠绕过程中高效稳定的多丝束张力协同调控框架。研究成果演化或繁衍了完整的多束碳纤维缠绕装备应用示范基地，为高性能、高效率的碳纤维缠绕工艺与装备设计开辟新领域，实现了我国在多束纤维同步缠绕领域从0到1的突破。 2.项目成果及主要设计创新特点、先进性 （1）多束碳纤维平行无间隙缠绕工艺开发 项目组于国内率先提出了“编缠一体化”思想，开创了国内多束碳纤维同步缠绕新领域。采用数十束纤维同步供纱，吐丝嘴呈现空间分布状态，同层纤维缠绕平行无交叉，开发了多束平行无间隙缠绕工艺。 （2）空间分布式多束纤维缠绕装备设计 设计并完成了国内首台空间分布式多束缠绕装备落地，形成了多束缠绕新技术。构建了多执行部件同步运动构型的优选评价体系，实现多束碳纤维同步缠绕装备优化设计。 （3）多束碳纤维同步落纱运动轨迹优化 基于动力学特性分析，实现了多丝嘴协同运动位姿纠偏，相关软硬件完全自主可控。基于多齿间赫兹接触阻尼设计落纱系统，实现了多束纤维同步缠绕系统动力学行为精确表征。 （4）多束碳纤维缠绕张力控制框架设计 率先开展了多束系统非线性理论模型的张力可控机理研究，控制精度可达5%以内。设计了基于改进的时变参数分数阶PID控制器的控制方案，构建了精细化模型及控制框架，实现了复杂扰动下张力控制系统性能提升。 3.授权知识产权情况 授权发明专利50余项，国际专利8项，发表高水平论文19篇。 4.推广应用及社会效应情况 采用多束同步缠绕技术生产复合材料制品，碳纤维使用量节省37%，生产效率提升19%。累计为企业创产值8亿元，新增利润5000万元。打破国外在多束缠绕领域技术垄断，使我国高压储氢容器缠绕技术水平踏入世界第一方阵。