热塑性复合材料纤维铺放技术研究进展

自动纤维铺放技术是飞机复合材料构件自动化成型的关键制造技术之一,其又可细分为自动纤维丝铺放技术和自动纤维带铺放技术。前者适用于平面型或低曲率的曲面型,或者说准平面型复合材料构件的铺层制造;后者综合了自动纤维缠绕与自动纤维带铺放两者的优点,可实现复杂曲面型复合材料构件的铺层制造。     

复合材料自动铺放CAD/CAM软件技术

自动铺放CAD/CAM软件根据材料铺放工艺特性和构件外形特征,按照构件结构设计要求,依照铺放设备机器结构和工作模式,生成可供专用铺放设备实现复合材料构件成型制造的NC加工代码。在满足设计要求的基础上,自动铺放CAD/CAM技术尽可能提高了铺放效率,保证了铺放质量,节约了材料,降低了制造成本。     

复合材料纤维自动铺放过程碰撞干涉检测

基于七自由度复合材料纤维铺放机器人,对铺放过程中可能出现的碰撞干涉情况进行分析,建立了铺放机器人三维数字化模型,研究了基于实体布尔运算的碰撞干涉检测算法。基于CATIA CAA平台开发了碰撞干涉检测模块,集成于复合材料纤维自动铺放编程软件中,对某型飞机进气道的铺放过程进行了仿真,结果证明本文提出的算法可有效地检测碰撞与干涉。     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式，合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构，研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计，解决了铺放复杂曲面满覆盖问题；总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则，选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造，并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱；采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放；采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%，整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

自动铺放技术在大型飞机复合材料结构件制造中的应用

自动铺放技术是工业发达国家近30年来发展和广泛应用的自动化制造技术,包括自动铺带技术和自动铺丝技术.这两项技术的共同优点是采用预浸料,并能实现自动化和数字化制造,高效高速.自动铺放技术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器,尤其是大型飞机的结构制造中所占比重越来越大.     

复合材料自动铺带技术研究(III)——平面铺带CAD/CAM软件开发

根据所研制自动铺带样机的工作模式和结构特征,详细讨论了铺放平面凸多边形构件的自动铺放加工指令模型和算法,包括轨迹坐标生成与边界处理、考虑预切的切送带指令等。在Auto CAD平台上利用ObjectARX技术开发了相应CAD/CAM软件,具有自动指令生成、交互设计和图形仿真等功能;经实际铺放检验,该软件能够满足平面自动铺带的基本要求。     

复合材料自动铺带技术研究(Ⅲ)——平面铺带CAD/CAM软件开发

根据所研制自动铺带样机的工作模式和结构特征，详细讨论了铺放平面凸多边形构件的自动铺放加工指令模型和算法，包括轨迹坐标生成与边界处理、考虑预切的切送带指令等。在Auto CAD平台上利用Object ARX技术开发了相应CAD／CAM软件，具有自动指令生成、交互设计和图形仿真等功能；经实际铺放检验，该软件能够满足平面自动铺带的基本要求。     

航空先进复合材料铺放及缝合设备的发展及应用

采用先进的自动化铺放设备进行飞机复合材料构件的制备,并采用自动缝合方法提高其损伤容限,是现代飞机复合材料制造技术发展的重要方向。因此,我国企业急需通过引进和研制先进的自动化铺带、铺丝设备以及热隔膜成型、缝合设备,大幅提高我国复合材料自动化制造设备水平,为军民用飞机的型号研制打下坚实的基础。     

基于非等距偏置的纤维铺放路径规划算法

复合材料由于其高比强度、高比刚度、耐烧蚀、抗侵蚀等一系列优点,广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。纤维铺放是实现复合材料成型的主要方法之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术。为实现构件(特别是复杂结构件)的成型制造,必须将材料精确地铺放到芯模表面。针对上述问题,根据微分几何理论提出了一种面向复杂曲面的路径规划算法。在确定压辊位置和方向的前提下,利用平面-曲面求交构造初始路径,并通过非等距偏置以获得覆盖整个芯模的全部路径。该方法所生成的压辊路径,不仅可使纤维完全贴合到芯模表面,还包含了铺放系统所需的丝数信息,理论上实现了构件的精确铺放成型。通过在MATLAB中进行路径仿真,验证了所提纤维铺放路径规划算法的正确性与有效性。     

自动铺带技术在复合材料机翼蒙皮的应用

对某型机复合材料机翼蒙皮的结构、材料进行分析,制定了某型机机翼蒙皮的铺带制造工艺方案。通过精确铺放控制设计、同向铺带与交叉异向铺带设计、自动铺放与激光投影、自动下料技术配合使用,成功将铺带机技术应用于某型机复合材料机翼蒙皮的制造,制造出的机翼蒙皮,其无损检测内部质量合格,铺带间隙和表面质量满足设计要求,为铺带机技术在复合材料铺带的应用奠定了坚实的基础。     

高性能热塑性复合材料在直升机结构上的应用与展望

高性能热塑性复合材料具有高韧性、优异的抗冲击损伤性能及较佳的抗疲劳性能,特别适用于以起落架、尾段、桨毂中央件及传动轴等为代表的直升机高损伤阻抗、高抗疲劳及弹击损伤容限设计需求特定结构部位。高性能热塑性复合材料在国外直升机上的应用正从实现关键层板结构部位全面应用拓展至复合材料夹层结构部位,并大量采用原位自动纤维铺放(automated fiber placement,AFP)等自动化、低成本制造技术和虚拟实验等低成本验证技术,受限于国产热塑性复合材料技术成熟度较低和新研复合材料体系传统积木式方法应用验证的高昂成本及漫长周期,国内直升机热塑性复合材料应用尚处于起步阶段,未来需要重点解决国产热塑性复合材料的性能稳定性及一致性以及在此基础之上的低成本自动化制造工艺、配套低密度耐高温芯材及高效率高置信度虚拟认证技术。     

自动铺放设备双电机交叉耦合同步控制算法研究

先进复合材料以其高比强度、比刚度以及良好的可设计性获得了广泛应用和迅速发展。复合材料自动铺放技术作为复合材料数字成型的一种典型应用,越来越受到重视。为了解决复合材料自动铺放设备大惯量轴的精密驱动问题,提出交叉耦合结合"PID+前馈+陷波滤波器"的控制方法进行双电机同步协调控制,并给出了在此控制方式下的回原点方法。最后,通过与其他双电机控制策略的比较,验证了该控制方式可以实现无振动、无噪声、稳定精密驱动,满足了大型自动铺放设备的铺放精度。     

国内复合材料自动铺放技术发展

复合材料自动铺放技术主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。国内自动铺放技术起步较晚,目前研究的单位主要有南京航空航天大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、天津工业大学、哈尔滨飞机工业集团有限责任公司、北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院、内蒙古工业大学和华中科技大学等。     

纤维铺放设备中丝束增减控制方法及其比较

纤维铺放技术是实现复合材料"低成本"制造的重要手段之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术.铺放设备的丝束铺放工作主要由铺放头完成,因此丝束增减控制是铺放控制系统研究的重点.通过分析铺放头结构、铺放控制系统结构、单路丝束的工作循环和丝束在重送、切断、铺放状态下夹紧模块、重送模块、切断模块的工作情况,总结出丝束...     

复合材料成型技术

正在航空航天领域,先进复合材料成型成本是原材料的4~5倍,低成本复合材料制造工艺是发展的趋势。需要不断完善热压罐、RTM、缠绕,拉挤、喷射、自动铺放、粉末冶金、熔渗、料浆等工艺,探索3D     

纤维自动铺放工艺制备单向罐外固化复合材料的拉-拉疲劳性能

纤维自动铺放工艺（AFP）制备罐外固化（OOA）复合材料中难以避免出现铺放缺陷如缝隙（Gaps）,影响复合材料的力学和疲劳性能。选取罐外固化预浸料IM7/CYCOM5320-1,采用自动铺放工艺制备正常（NDS）和预置缺陷（DS）复合材料,探讨了铺放缺陷对0°单向罐外固化复合材料拉-拉疲劳性能的影响,建立了疲劳寿命和剩余强度衰减模型。结果表明,相比于NDS罐外固化复合材料,DS的静态拉伸强度降低5.90%,拉伸模量降低6.54%;NDS和DS复合材料的疲劳寿命均随疲劳载荷的增大而减少,DS的疲劳寿命一直低于NDS;随着疲劳载荷的增加,二者的疲劳寿命相差越大,铺放缺陷的影响也越来越明显;NDS和DS复合材料在拉-拉疲劳测试前期的力学强度均维持平稳状态,达到一定疲劳周数后力学强度明显下降;应力水平越高,铺放缺陷对罐外固化复合材料的剩余强度影响越明显,而不同应力比下,缺陷对剩余强度的影响一致。     

先进复合材料自动铺丝设备研究现状与发展趋势

先进的复合材料由于其高比强度、比模量、大幅减重和良好的耐腐蚀性,已被广泛用于航空航天工业及其他领域。自动铺丝机是实现自动铺丝的必要设备,是影响铺放质量和生产效率的重要环节。因此,研发和改进自动铺丝机,成为制造复合材料复杂构件的最关键的课题之一。本文针对近年来国内外的自动铺丝设备,重点围绕铺丝机机床主体结构、纱架形式、铺丝头压力系统、加热系统与张力系统等方面,对当前自动铺丝机的研究与应用现状进行论述与分析,总结了国内外自动铺丝设备的研究成果,分析了国内外铺丝设备的优势与不足,最后探讨并总结了自动铺丝设备未来的发展趋势,为铺丝机的设计与优化提供了一个参考方向。     

复合材料自动成型工艺进展及在航空中的应用

本文就复合材料飞机结构件的自动成型工艺进行了综述,重点介绍了纤维铺放成型、带材铺叠成型的特点与发展。复合材料自动成型工艺在航空领域的广泛应用,必将大幅降低飞机结构件的制造成本,极大地促进航空工业的发展。     

飞机复合材料构件自动铺带/丝束铺放典型设备

过去,对于先进复合材料的研究及开发的重点一般放在材料性能和工艺的改进上,目前已将重点放在了降低构件制造成本上。为了提高生产效率,降低成本,保证大型复合材料构件的铺叠质量,便发展了能代替手工铺叠的制造设备——自动铺带机和自动丝束铺放机。     

复合材料构件设计、分析、制造一体化

给出了复合材料构件一体化研制环境基本要素和一体化研制流程,并对几项关键技术进行了探讨。复合材料构件数字化定义包括几何建模和材料结构建模,总结了建模过程和数据的组成。根据当前复合材料构件分析无法基于最终真实纤维路径进行的现状,总结了接口数据的内容和组织,探讨了通过纤维路径数据到有限元网格的自动映射实现材料铺放数据的自动传递。研究了设计到自动下料系统和激光投影系统的接口数据和集成方式。