整体穿刺成型三维织物是由碳纤维布平面方向均匀铺设层叠增强,垂直方向由连续碳纤维缝合而成的三维立体织物。该织物具有良好的整体结构和较高的碳纤维体积含量,是制作高性能结构材料和热防护材料的优良基材,目前成功用于固体火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室,运载火箭固体助推器等。由于碳纤维立体织物成型工艺复杂,技术难度高,目前我国整体穿刺成型碳纤维立体织物织造设备以半机械、半自动化的装备为主,有的甚至是手工操作。本文在国内外碳纤维立体织物成型装备研究现状分析基础上,研制钢针置换及纤维锁扣装置样机。主要研究内容如下:根据传统钢针置换及纤维锁扣工艺进行方案设计,通过方案对比确定该装置主要包括Y/Z向移动工作台,夹针机构,送线机构,纤维锁扣机构和张力控制机构。对确定方案进行详细设计,通过理论分析确定零部件尺寸,对零部件选型、校核,利用Pro/E软件建立虚拟样机。针对钢针置换和纤维锁扣过程中传统钢针夹持器不能满足夹持等距密排Z向钢针的需求,进行专用夹持器设计,对该夹持器进行工作过程分析、理论分析和ANSYS仿真分析并对工作情况进行实验验证。针对纤维锁扣过程中容易出现跳针、浮线等问题,基于链式缝合原理研究该过程中理想线环形态及成型机理,采用多体系统理论稳态线环力学行为分析方法,确定形成理想线环所需缝合线长度,以提高缝合的可靠性,利用MATLAB软件求解与Adams软件仿真分析并进行实验研究。针对缝合过程中线迹成型复杂,折弯多,纱线易在针孔处断纱问题,计算单个周期内的需供线量、分析纱线受力,建立非连续供给纱线模型,利用MATLAB软件Simulink仿真平台,采用模糊PID控制算法控制纱线张力,为实际工作提供理论依据。对钢针置换及纤维锁扣装置进行控制系统设计和电气原理图绘制。根据装配图和电路图进行施工,搭建实验平台。对已装配样机进行调试和织物试织。