一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法与应用

本发明属于胶接工艺参数获取相关，更具体地，涉及一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法与应用。

背景技术：

1、在当前航空航天大型复合材料壁板的制造过程中，t型长桁与预浸料蒙皮的胶接装配对工艺参数的依赖性极强，而实际生产中这些参数大多依赖工人经验或简单的单因素试错法来确定。由于长桁尺寸大、刚度低，胶接时加热管间距、移动速度、加热温度以及加压压力等参数之间相互耦合，难以通过零散的实验获得系统性的规律。

2、现有的实验方法往往只关注最终胶接强度，忽略了从传热机理到工艺窗口的完整链条——例如加热管应布置多宽才能让长桁底面温度均匀、移动热源下上下表面温差如何变化、不同因素对胶接质量的影响究竟谁主谁次，这些关键问题长期缺乏标准化的实验流程来回答。此外，在实际胶接过程中，温度控制主要依赖操作工人手动调节加热功率或简单的开关控制，导致长桁上表面温度频繁波动，超调量大，难以稳定在胶膜固化所需的窄窗口内，进而造成胶接强度离散性大。而压力控制同样存在响应滞后、过冲或不足等问题，进一步加剧了力-热耦合工艺的不确定性。这就导致即便在实验室条件下获得了一组可行参数，换一种规格的长桁或换一台设备后，工艺窗口又需要重新摸索，不仅耗费大量材料和工时，而且难以保证批产条件下胶接质量的一致性。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法与应用，其旨在解决传统大型复合材料长桁胶接工艺依赖经验，缺乏系统性实验与仿真结合的参数确定方法，导致温度分布不均、应力集中及胶接强度不稳定的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，所述长桁呈t型，其包括矩形的底板及竖板，所述竖板设置在所述底板的上表面上，步骤为：

3、（1）将两个加热管临近所述底板的上表面设置，且两者相对于所述竖板对称设置；保持所述加热管与所述长桁的相对位置固定，基于固定加热管的加热位置时长桁的稳态温度分布来确定两个加热管之间的最优间距；

4、（2）将两个所述加热管之间的间距设置为最优间距，通过对所述长桁轴向的温度变化及最高温度的范围进行评估以确定所述加热管与所述长桁的相对位置改变的情况下所述底板的上下表面的温度差值，基于得到的温度差值及所述竖板的底面温度随时间的变化曲线构建加热管的瞬态热传导有限元模型；

5、（3）基于瞬态热传导有限元模型，对长桁的上表面施加不同的加压压力来有限元仿真分析以得到不同加压压力、不同预热温度下长桁的温度场及应力分布，进而确定大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数。

6、进一步地，基于固定热源试验中测得长桁的稳态温度分布来修正长桁的稳态热传导有限元模型，进而根据长桁的实际几何尺寸和材料热物理参数推导热传导方程，通过导热传导方程求解长桁的内部温度梯度，从而定量分析加热管间距对底板的底面温度均匀性的影响，进而确定加热管的最优间距。

7、进一步地，设定加热管的载荷、对流换热边界及绝热边界，对所述瞬态热传导有限元模型进行动态加载，将所述瞬态热传导有限元模型输出的温度曲线与实测曲线进行对比校准，使得所述瞬态热传导有限元模型的误差控制在极小范围内。

8、进一步地，校准后的所述瞬态热传导有限元模型用于预测不同预热温度和热源的相对移动速度下的温度场。

9、进一步地，力-热协同胶接工艺参数包括加热管之间的最优间距、预热温度、加压压力、热源的相对移动速度及降温时间。

10、进一步地，在瞬态热传导有限元模型中增加压压力边界条件，通过有限元仿真分析来实现热-力顺序耦合分析，将得到的温度场计算结果作为载荷施加到长桁与蒙皮之间的胶层的结构模型中，计算胶层剪应力和长桁本体的应力分布，评估预热温度及加压压力对胶层失效的影响。

11、进一步地，采用基于模糊pid控制器的闭环控制方法对胶接过程中预热温度和加压压力进行在线自整定。

12、本发明还提供了一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接方法，所述胶接方法采用如上所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法来获取力-热协同胶接工艺参数，进而完成胶接。

13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法与应用主要具有以下有益效果：

14、1. 本发明将导热机理分析、移动热源实验、有限元仿真以及胶接强度实验有机结合形成了一种系统化的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，能够系统性地输出加热管最优间距、温度分布规律、参数敏感性排序以及可靠的力-热协同胶接工艺窗口，为大型复合材料长桁的自动化胶接提供科学依据，解决了传统工艺依赖经验的问题。

15、2. 采用基于模糊pid的闭环控制方法，用于胶接过程中加热温度和加压压力的在线自整定，从而将工艺窗口中的关键参数稳定地复现于实际生产，有效抑制温度超调和压力波动。

16、3. 通过固定热源实验确定加热管的最优间距，进而保证了底板的底面温度分布均匀。

17、4. 本发明适用于航空航天大型复合材料壁板、机翼壁板、机身壁板以及其他长条状复合材料加强构件的自动化胶接制造，具有广阔的工程应用前景。

18、5. 本发明获得的力-热耦合工艺参数可直接应用于双机器人协同胶接系统，实现温度、压力和运动速度的协同控制，为大型复合材料长桁自动化制造装备的开发提供关键工艺基础，利用本发明确定的工艺窗口进行胶接，可显著提高胶接界面的一致性和胶接强度，降低工艺波动对胶接质量的影响。

19、6. 通过正交实验和统计分析，定量揭示了加热温度、加压压力及热源的相对移动速度对胶接质量的影响程度，明确了“温度—压力—速度”的敏感性排序，为工艺优化提供依据。

1.一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，所述长桁呈t型，其包括矩形的底板及竖板，所述竖板设置在所述底板的上表面上，其特征在于，步骤为：

2.如权利要求1所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，其特征在于：基于固定热源试验中测得长桁的稳态温度分布来修正长桁的稳态热传导有限元模型，进而根据长桁的实际几何尺寸和材料热物理参数推导热传导方程，通过导热传导方程求解长桁的内部温度梯度，从而定量分析加热管间距对底板的底面温度均匀性的影响，进而确定加热管的最优间距。

3.如权利要求1所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，其特征在于：设定加热管的载荷、对流换热边界及绝热边界，对所述瞬态热传导有限元模型进行动态加载，将所述瞬态热传导有限元模型输出的温度曲线与实测曲线进行对比校准，使得所述瞬态热传导有限元模型的误差控制在极小范围内。

4.如权利要求3所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，其特征在于：校准后的所述瞬态热传导有限元模型用于预测不同预热温度和热源的相对移动速度下的温度场。

5.如权利要求1-4任一项所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，其特征在于：力-热协同胶接工艺参数包括加热管之间的最优间距、预热温度、加压压力、热源的相对移动速度及降温时间。

6.如权利要求1-4任一项所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，其特征在于：在瞬态热传导有限元模型中增加压压力边界条件，通过有限元仿真分析来实现热-力顺序耦合分析，将得到的温度场计算结果作为载荷施加到长桁与蒙皮之间的胶层的结构模型中，计算胶层剪应力和长桁本体的应力分布，评估预热温度及加压压力对胶层失效的影响。

7.如权利要求1-4任一项所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法，其特征在于：采用基于模糊pid控制器的闭环控制方法对胶接过程中预热温度和加压压力进行在线自整定。

8.一种大型复合材料长桁的力-热协同胶接方法，其特征在于：所述胶接方法采用权利要求1-7任一项所述的大型复合材料长桁的力-热协同胶接工艺参数的获取方法来获取力-热协同胶接工艺参数，进而完成胶接。