本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料，具體為一種碳纖維復(fù)合材料的成型優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、碳纖維復(fù)合材料以其卓越的物理和化學特性，在航空航天、汽車工業(yè)、風力發(fā)電、體育用品和建筑等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。然而，由于其復(fù)雜的制造工藝和嚴格的質(zhì)量要求，對成型過程的優(yōu)化控制成為確保其高性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2、碳纖維復(fù)合材料的成型過程涉及多種工藝步驟，包括預(yù)浸料鋪層、樹脂傳遞模塑和熱壓罐固化等。這些工藝步驟中，溫度、壓力和固化時間等參數(shù)的精確控制直接影響材料的最終性能。例如，鋪層過程中纖維方向和樹脂含量的微小偏差，可能導(dǎo)致材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，進而影響其力學性能。在成型過程中，碳纖維復(fù)合材料容易產(chǎn)生各種缺陷，如氣孔、分層、樹脂富集和纖維波紋等。這些缺陷不僅影響材料的結(jié)構(gòu)完整性，還可能導(dǎo)致使用過程中出現(xiàn)早期失效。因此，如何優(yōu)化和控制這些關(guān)鍵參數(shù)，確保產(chǎn)品的一致性和高性能，是成型優(yōu)化控制系統(tǒng)研究的核心問題。

3、而現(xiàn)有對于碳纖維復(fù)合材料的成型控制大多是以基體材料的性質(zhì)和成型方式單一指標研究為主，例如公開號為cn116143538b的中國專利提出一種碳纖維復(fù)合材料的氣壓成型工藝，通過提供一種氣壓成型的短切碳纖維增強碳/碳復(fù)合材料，其具有較高的力學性能，同時在基體結(jié)構(gòu)中原位生成碳化硅抗氧化成分，提高材料的抗氧化性能。又如，公開號為cn113211823b的中國專利提出一種碳纖維復(fù)合材料無人機機翼的成型方法，該發(fā)明通過使得機翼一體化成型，解決了采用鋼制模芯，產(chǎn)品成型后無法脫模的問題，以及解決了入模時鋪層用硬質(zhì)芯模無法取出的問題，使得機翼內(nèi)腔成型后內(nèi)壁光滑，折痕少，減小在機翼做超聲探傷時機翼內(nèi)腔腔壁粗糙產(chǎn)生干擾偽像，對檢測結(jié)果的影響。此外，公開號為cn112078152b的中國專利提供碳纖維復(fù)合材料的部件的成型方法及成型模具，該方法通過改變部位之間的玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度，導(dǎo)致各部位之間的強度出現(xiàn)差異，實現(xiàn)了通過控制各部位的溫升速率，以有效控制碳纖維復(fù)合材料的部件局部力學性能。以上文獻都是從單一指標對碳纖維復(fù)合材料的成型控制進行研究，不能全面反映碳纖維復(fù)合材料的成型的效果。

4、為此，提出一種碳纖維復(fù)合材料的成型優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維復(fù)合材料的成型優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)，首先通過構(gòu)建樹脂浸漬最優(yōu)配比預(yù)測模型，將碳纖維磨損系數(shù)、樹脂與固化劑比例及樹脂粘度作為輸入，獲取最佳配比，得到樹脂浸漬。其次，對碳纖維在樹脂浸漬后的樣品材料進行質(zhì)量檢測，通過質(zhì)量守恒定律檢測樹脂流動速度分布，判斷樣品內(nèi)氣泡及樹脂分布情況，確保材料在后續(xù)成型固化過程中的質(zhì)量。最后，提出成型固化優(yōu)化模型，通過樹脂固化速率動力學公式調(diào)整固化條件，包括溫度、固化程度及內(nèi)部應(yīng)力，確保最佳成型效果。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、對碳纖維進行預(yù)處理，得到第一樣品；

4、獲取歷史數(shù)據(jù)并做歸一化處理，建立歷史數(shù)據(jù)集；所述歷史數(shù)據(jù)集包括樹脂混合比例的第一數(shù)據(jù)集和經(jīng)過樹脂浸漬的第二數(shù)據(jù)集和經(jīng)過固化的第三數(shù)據(jù)集；

5、依據(jù)所述第一數(shù)據(jù)集和所述第二數(shù)據(jù)集，分別進行模型訓練，得到樹脂浸漬最優(yōu)配比預(yù)測模型和樹脂浸漬模型；

6、通過所述最優(yōu)配比預(yù)測模型獲取最優(yōu)樹脂浸漬配比，得到樹脂浸漬；

7、通過所述樹脂浸漬模型獲取所述第一樣品通過所述樹脂浸漬的參數(shù)；所述參數(shù)包括速度、時間、溫度和壓力；

8、根據(jù)所述參數(shù)調(diào)節(jié)所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的實際參數(shù)，得到第二樣品；

9、根據(jù)第三數(shù)據(jù)集，建立固化過程中的固化速率動力學公式，得到固化條件；所述固化條件包括固化時間、固化溫度和固化壓力；

10、根據(jù)所述固化條件調(diào)控所述第二樣品經(jīng)過固化的實際參數(shù)，得到最優(yōu)樣品。

11、優(yōu)選的，所述第一樣品為處理過的碳纖維；所述處理包括：通過使用化學溶劑、超聲波清洗去除碳纖維表面的油脂、灰塵；通過等離子處理、酸處理和電化學處理方法增加碳纖維表面的活性。

12、優(yōu)選的，所述第一數(shù)據(jù)集包括碳纖維磨損系數(shù)、樹脂和固化劑的比例以及樹脂浸漬的粘度；將所述第一數(shù)據(jù)集劃分為訓練集和測試集；將所述訓練集中的碳纖維磨損系數(shù)、樹脂和固化劑的比例以及樹脂浸漬的粘度作為輸入，依據(jù)調(diào)配損失函數(shù)對輸入數(shù)據(jù)進行調(diào)整，繼續(xù)訓練，直至所述調(diào)配損失函數(shù)收斂，所述樹脂浸漬最優(yōu)配比作為輸出；所述調(diào)配損失函數(shù)的公式為：

13、

14、其中，l為損失函數(shù)，n為數(shù)據(jù)總量，α,β,γ為權(quán)重系數(shù)，ri為第i個樣本的樹脂和固化劑的比例，vi為第i個樣本的樹脂浸漬的粘度，ωi為第i個樣本的碳纖維的磨損系數(shù)，t為模型訓練時間。

15、優(yōu)選的，所述第二數(shù)據(jù)集包括第一樣品排列、第一樣品密度和第一樣品粗糙程度；所述樹脂浸漬模型對所述第二數(shù)據(jù)集進行分析，獲取所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的時間、速度、溫度和壓力；

16、所述樹脂浸漬模型包括預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和參數(shù)預(yù)測調(diào)整模塊；

17、所述預(yù)處理模塊用于對所述第二數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)規(guī)范化，得到第二處理數(shù)據(jù)集；

18、所述數(shù)據(jù)分析模塊用于對第二處理數(shù)據(jù)集進行分析，得到所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的權(quán)重向量和偏置向量；

19、所述參數(shù)預(yù)測調(diào)整模塊包括四個輸出，每個所述輸出對應(yīng)一個預(yù)測目標；所述預(yù)測目標包括第一樣品經(jīng)過樹脂浸漬的速度、第一樣品經(jīng)過樹脂浸漬的時間、樹脂浸漬的溫度和樹脂浸漬的壓力；所述參數(shù)預(yù)測調(diào)整模塊用于對所述權(quán)重向量和所述偏置向量進行調(diào)整，得到所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的速度、所述第一樣品經(jīng)過樹脂浸漬的時間、所述樹脂浸漬的溫度和所述樹脂浸漬的壓力的預(yù)測值。

20、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)清洗用于去除異常值，具體過程包括：計算所述第一樣品排列、所述第一樣品密度和所述第一樣品粗糙程度的均值和標準差；根據(jù)所述均值和所述標準差，得到判斷值；所述判斷值具體計算公式為：

21、

22、其中，xk為第k個第一樣品排列，μ為第一樣品排列的均值，σ為第一樣品排列的標準差；

23、當z≥a時，xk為異常值，a為判斷異常值的閾值，將第k位置數(shù)據(jù)更改為所述均值；

24、所述第一樣品密度和所述第一樣品粗糙程度去除所述異常值方法與所述第一樣品排列方法一致；

25、通過所述預(yù)測值調(diào)整所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的數(shù)據(jù)，得到第二標準數(shù)據(jù)集；所述數(shù)據(jù)包括所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的速度、所述第一樣品經(jīng)過樹脂浸漬的時間、所述樹脂浸漬的溫度和所述樹脂浸漬的壓力；

26、根據(jù)第二標準數(shù)據(jù)集，調(diào)整所述第一樣品經(jīng)過所述樹脂浸漬的參數(shù)，得到第二樣品；所述第二樣品為第一樣品與樹脂基體結(jié)合形成的中間材料。

27、優(yōu)選的，通過質(zhì)量守恒定律對所述第二樣品進行分析，獲取分析結(jié)果；

28、若分析結(jié)果為所述第二樣品均勻無氣泡，得到第二標準樣品；

29、所述質(zhì)量守恒定律具體表述為：

30、

31、其中，ρr為樹脂的密度，t為時間，為梯度，v為樹脂速度場；

32、所述樹脂速度場用于描述樹脂在所述第二樣品中流動的速度分布，具體計算方式為：

33、

34、其中，p為壓力，μ為樹脂浸漬粘度，f為樹脂浸漬體積；

35、當和此時所述第二樣品均勻無氣泡。

36、優(yōu)選的，所述成型固化優(yōu)化模型構(gòu)建方法步驟包括：

37、對所述第三數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理，得到第三處理數(shù)據(jù)集；所述第三數(shù)據(jù)集包括第二標準樣品的固化時間、固化溫度和固化壓力；

38、根據(jù)所述第三處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建在固化過程中樹脂的固化速率動力學公式，用于控制成型過程中的固化條件；

39、依據(jù)所述固化速率動力學公式，獲得第二標準樣品的溫度、均勻固化程度和應(yīng)力；

40、根據(jù)所述第二標準樣品的溫度、均勻固化程度和應(yīng)力，調(diào)整成型固化的時間、溫度和壓力，得到所述優(yōu)化樣品；

41、所述第二標準樣品的溫度具體公式為：

42、

43、其中，ρ為碳纖維的密度，cp為碳纖維的比熱容，t(x,y,z,t)為溫度場，(x,y,z)為空間坐標，t為時間，為梯度，k為碳纖維的熱傳導(dǎo)率，q為外部加熱和化學反應(yīng)釋放的熱能；

44、所述動力學對所述均勻固化程度的具體計算方法為：

45、

46、其中，α為樹脂的固化程度，取值范圍從0到1，k(tem)為溫度相關(guān)的固化速率常數(shù)，a為頻率因子，e為活化能，r為活化能，tem為溫度，β為經(jīng)驗常數(shù)，p為壓力；

47、所述動力學對所述應(yīng)力控制的具體計算方法為：

48、σ＝eσ·ε；

49、ε＝α·βt(t1-t0)+α·βp(p1-p0)；

50、其中，σ為應(yīng)力，βt為熱膨脹系數(shù)，t1為實時溫度，t0為初始溫度，βp為固化收縮系數(shù)，p1為實時壓力，p0為初始壓力。

51、一種碳纖維復(fù)合材料的成型優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括：

52、預(yù)處理單元，用于對碳纖維進行預(yù)處理，得到第一樣品；

53、數(shù)據(jù)獲取單元，用于獲取歷史數(shù)據(jù)并做歸一化處理，建立歷史數(shù)據(jù)集；所述歷史數(shù)據(jù)集包括樹脂混合的第一數(shù)據(jù)集，經(jīng)過樹脂浸漬的第二數(shù)據(jù)集和經(jīng)過固化的第三數(shù)據(jù)集；

54、模型建立單元，用于依據(jù)所述第一數(shù)據(jù)集和所述第二數(shù)據(jù)集，分別進行模型訓練，得到樹脂浸漬最優(yōu)配比預(yù)測模型和樹脂浸漬模型；

55、根據(jù)第三數(shù)據(jù)集，建立固化過程中的固化速率動力學公式

56、參數(shù)調(diào)整單元：包括通過所述最優(yōu)配比預(yù)測模型獲取最優(yōu)樹脂浸漬配比，得到樹脂浸漬；

57、通過所述樹脂浸漬模型獲取所述第一樣品通過所述樹脂浸漬的參數(shù)；所述參數(shù)包括速度、時間、溫度和壓力；

58、根據(jù)所述固化條件調(diào)控第二樣品經(jīng)過固化的實際參數(shù)。

59、優(yōu)選的，通過質(zhì)量守恒定律對所述第二樣品進行分析，獲取分析結(jié)果；

60、若分析結(jié)果為所述第二樣品均勻無氣泡，得到第二標準樣品；

61、所述質(zhì)量守恒定律具體表述為：

62、

63、其中，ρr為樹脂的密度，為梯度，v為樹脂速度場；

64、所述樹脂速度場用于描述樹脂在第二樣品中流動的速度分布，具體計算方式為：

65、

66、其中，p為壓力，μ為樹脂浸漬粘度，f為樹脂浸漬體積；

67、當和此時所述第二樣品均勻無氣泡。

68、優(yōu)選的，所述成型固化優(yōu)化模型構(gòu)建方法步驟包括：

69、對所述第三數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理，得到第三處理數(shù)據(jù)集；所述第三數(shù)據(jù)集包括第二標準樣品的固化時間、固化溫度和固化壓力；

70、根據(jù)所述第三處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建在固化過程中樹脂的固化速率動力學公式，用于控制成型過程中的固化條件；

71、依據(jù)所述固化速率動力學公式，獲得第二標準樣品的溫度、均勻固化程度和應(yīng)力；

72、根據(jù)所述第二標準樣品的溫度、均勻固化程度和應(yīng)力，調(diào)整成型固化的時間、溫度和壓力，得到優(yōu)化樣品；

73、所述第二標準樣品的溫度具體公式為：

74、

75、其中，ρ為碳纖維的密度，cp為碳纖維的比熱容，t(x,y,z,t)為溫度場，(x,y,z)為空間坐標，t為時間，為梯度，k為碳纖維的熱傳導(dǎo)率，q為外部加熱和化學反應(yīng)釋放的熱能；

76、所述動力學對所述均勻固化程度的具體計算方法為：

77、

78、其中，α為樹脂的固化程度，取值范圍從0到1，k(tem)為溫度相關(guān)的固化速率常數(shù)，a為頻率因子，e為活化能，r為活化能，tem為溫度，β為經(jīng)驗常數(shù)，p為壓力；

79、所述動力學對所述應(yīng)力控制的具體計算方法為：

80、σ＝eσ·ε；

81、ε＝α·βt(t1-t0)+α·βp(p1-p0)；

82、其中，σ為應(yīng)力，βt為熱膨脹系數(shù)，t1為實時溫度，t0為初始溫度，βp為固化收縮系數(shù)，p1為實時壓力，p0為初始壓力。

83、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

84、1、本發(fā)明構(gòu)建了一種樹脂浸漬最優(yōu)配比預(yù)測模型，此模型采用歷史樹脂浸漬配比數(shù)據(jù)進行訓練，將碳纖維磨損系數(shù)、樹脂和固化劑的比例和樹脂浸漬的粘度參數(shù)作為輸入，樹脂浸漬配比作為輸出，同時根據(jù)損失函數(shù)的變化動態(tài)調(diào)整配比。本發(fā)明利用訓練好的樹脂浸漬最優(yōu)配比預(yù)測模型獲取樹脂浸漬的配比，此方法能夠結(jié)合碳纖維和樹脂的各項特征，從而準確地獲取樹脂浸漬的配比。

85、2、本發(fā)明對碳纖維在樹脂浸漬過程后得到的樣品材料進行質(zhì)量檢測，根據(jù)質(zhì)量守恒定律對樣品進行檢測，獲取樹脂在碳纖維預(yù)制件中流動的速度分布，從而判斷樣品內(nèi)是否存在氣泡以及樹脂分布是否均勻。此方法通過在樹脂浸漬過程后進行質(zhì)量檢測該方法進一步提升了碳纖維復(fù)合材料在后續(xù)成型固化過程中的效果。這一檢測方法有效地確保了碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量，為其成型后的性能優(yōu)化提供了可靠的基礎(chǔ)。

86、3、本發(fā)明提出了一種成型固化優(yōu)化模型。該模型通過構(gòu)建樹脂在固化過程中的固化速率動力學公式，精確調(diào)整成型過程中的固化條件，從而實現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料成型的優(yōu)化。該模型通過調(diào)節(jié)碳纖維復(fù)合材料預(yù)制件的溫度、均勻固化程度以及內(nèi)部應(yīng)力，確保材料在固化過程中的最佳成型效果。通過該模型的優(yōu)化，可以顯著提升碳纖維復(fù)合材料的力學性能和整體質(zhì)量。