[发明专利]自动铺放成型中预浸料红外辐射加热的动态温度控制方法

摘要

本发明提供一种自动铺放成型中预浸料红外辐射加热的动态温度控制方法。本发明包括五个步骤：A，测定所用红外辐射加热器的电-热辐射转化率；B，针对所使用的复合材料预浸料，计算其蓄热转化效率；C，推导红外加热灯与预浸料微元窄条之间的辐射角系数计算关系式；D，建立温度控制方程；E，利用可编程控制器按照温度控制方程进行运算、获得驱动信号，控制驱动功率、使预浸料温度保持恒定。本发明实现了输出功率随预浸料铺放速度的在线跟随变化、能够达到对预浸料温度精确控制的目的，克服了热风加热响应慢、热能利用率低、温度控制依赖经验数据及控制律模糊等不足。

主权项

1.一种自动铺放成型中预浸料红外辐射加热的动态温度控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(一)，测定所用红外辐射加热器的电-热辐射转化率，所述红外辐射加热器为红外加热灯；红外加热灯与盒体的传热平衡方程为：其中，P_灯：红外加热灯的辐射功率；t：时间；a₁：盒体内壁表面的辐射吸收系数；k：自然对流放热系数；T_灯：红外加热灯的灯管在t时刻的温度；在t时刻i表面的温度；C_盒：盒体材料的比热容；盒体第i个面板的质量；在t时刻i表面升高的温度；由此求得红外辐射加热器的电-热辐射转化率：            η₁＝P_灯/P_电                (2)式中，P_电代表红外加热灯的输出电功率；步骤(二)，计算预浸料的蓄热转化效率：上式中，Q_蓄代表蓄热能，Q_蓄＝C_预m(T-T₀)；Q_辐代表辐射能，Q_对代表对流扩散能，Q_对＝kA(T-T₀)^1.25；其中，C_预：预浸料的比热容；T：预浸料表面的温度；m：预浸料在有效辐射区域的质量；T₀：周围环境的温度；σ：斯忒藩-波尔兹曼常数，σ＝5.669×10^-8W/m²·K⁴；ε：预浸料的表面比辐射率；A：预浸料在有效辐射区域的表面积；W：功率单位，瓦特；K：温度单位，开摄氏度；步骤(三)，推导红外辐射加热器与预浸料微元窄条之间的辐射角系数计算关系式：FdS2-1=r1r2[1-1π{cos-1l2-r22+r12l2+r22-r12-12r1l(l2+r22+r12)-(2r22)2×cos-1r1(l2-r22+r12)r2(l2+r22-r12)+(l2-r22+r12)(arcsinr1r2)-π2(l2+r22-r12)}]---(4)]]>根据角系数的互换性可知：            2πr₁ldF₁₂＝dS₂F_dS2-1                    (5)            dF₁₂＝dS₂F_dS2-1/(2πr₁l)                 (6)其中，dS₂：同心圆柱体外圆柱内表面微元窄条；F_dS2-1：微元窄条dS₂对红外加热灯外表面A₁的辐射角系数；r₁：内圆柱半径；r₂：外圆柱半径；l：圆柱长度；dF₁₂：红外加热灯对预浸料微元窄条之间的辐射角系数；步骤(四)，利用预浸料在有效辐射区域内的能量传输关系，结合式(1)、式(2)、式(3)的辐射传递系数，建立预浸料在动态下的温度控制方程；所述温度控制方程是运用微分思想将有效辐射区域划分为若干微小区域，对预浸料在这些微小区域获得的蓄热能进行积分得到；①、静止状态下的温度控制方程：其中，ΔT：在t时间内预浸料温度的变化；h：微元面dS₂距离x轴的长度；D：预浸料距离y轴的长度；a₂：预浸料的辐射吸收率；H-有效辐射区域的长度；②、匀速运行下的温度控制方程：其中，m₀：单位面积预浸料质量；v：预浸料运行速度；步骤(五)，确定对预浸料加热的目标温度并输入可编程控制器，通过速度传感器采集预浸料进入有效辐射区域的速度信号，利用可编程控制器根据步骤(四)中建立的温度控制方程进行运算、得到相应的功率驱动信号，功率调节器调节红外加热灯的电功率，使预浸料温度保持恒定。