【摘 要】
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碳纤维作为一种高性能材料,广泛应用于国防军工、医疗、交通运输等多个领域,被列为国家重点战略性材料。在碳纤维的生产过程中,凝固成形过程这一关键工序对原丝质量影响较大,进而对提升最终产品的质量较为关键。因此,对凝固成形过程的工艺研究、机理建模和虚拟实现具有重要意义。本文在研究碳纤维凝固成形机理的基础上,建立了碳纤维的凝固成形过程的动态模型、数值仿真和三维动画呈现,并设计和开发了基于B/S架构的碳纤维凝
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碳纤维作为一种高性能材料,广泛应用于国防军工、医疗、交通运输等多个领域,被列为国家重点战略性材料。在碳纤维的生产过程中,凝固成形过程这一关键工序对原丝质量影响较大,进而对提升最终产品的质量较为关键。因此,对凝固成形过程的工艺研究、机理建模和虚拟实现具有重要意义。本文在研究碳纤维凝固成形机理的基础上,建立了碳纤维的凝固成形过程的动态模型、数值仿真和三维动画呈现,并设计和开发了基于B/S架构的碳纤维凝固过程虚拟仿真平台。平台将展示碳纤维生产的三维场景、初生纤维凝固成形的动画、纤维内部溶剂浓度的变化过程和工艺参数对纤维直径和成形速度的影响。仿真平台支持多用户同时登录和并行操作,用户可设置工艺参数,进行工艺参数与产品质量的相关分析。本文的主要工作包括:（1）分析了碳纤维凝固过程工艺与产品质量的关系,研究了凝固成形机理,建立了碳纤维凝固过程模型。模型包含双扩散模型,描述原液细流中溶剂和凝固剂的双扩散过程;相分离模型,描述原液细流由液相变为固相的过程;初生纤维运动模型,描述流变力、摩擦力和惯性力与速度的关系;初生纤维半径模型,描述由物质守恒得出的流量与速度之间的关系。（2）采用方程数值求解与实验数据拟合相结合的方法进行凝固浴过程的仿真。根据四个模型相互关联关系,在每一步的迭代中首先采用数据拟合法求出纤维半径,然后根据质量守恒得到初生纤维固液交界面的半径,再由受力平衡计算纤维运动速度,最后返回这些值计算双扩散的浓度分布。首先采用MATLAB仿真,得到液态-固态交界面、初生纤维半径与速度的分布曲线。为了搭建虚拟仿真平台,使用Java重写了仿真程序,并给出精度缺失优化方案。（3）通过使用场景和目标用户的分析,得到技术需求和业务需求,基于此选型技术,提出了系统的总体设计方案,平台由管理员模块和用户模块组成,用户模块由登录、碳纤维制造流程、仿真参数设置、纤维参数查看、凝固过程动画等模块组成。前端开发技术选用了Vue框架、Echarts组件库、Element UI组件库、Web GL技术和Three.js框架,后端选用Spring Boot框架和My Batis框架,数据库选用了My SQL和Redis。（4）本文采用前后端分离方式开发,前端采用Vue框架结合Echarts组件库、Element UI组件库开发静态页面,通过Web GL技术展示碳纤维制备工业流程的Unity3D三维场景,使用Blender建立凝固过程三维模型和三维动画,导出后通过Three.js加载引入,最后在Web中引用显示。后端使用Spring Boot框架和My Batis框架及其插件实现不同业务需求中涉及的数据增加、删除、修改和查询,利用Spring Security和JWT开发登录功能,使用OSHI开发服务器监控功能。（5）最后进行了功能测试和兼容性测试。测试结果表明:碳纤维凝固过程虚拟仿真平台满足用户和管理员需求。
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