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。     

复合材料自动铺丝路径生成技术研究

基于自主研制的七自由度铺丝机,研究具有芯模的封闭构件自动铺丝路径规划技术,设计了通用的铺丝路径生成算法,可生成任意角度的铺丝路径。     

自动铺丝技术及其在A350制造过程中的应用

介绍了自动铺丝技术的原理、特点、优势,并从铺丝设备、铺丝材料、铺丝工艺、应用等几个方面进行了阐述。以空客A350复合材料制造技术为背景,分析了其机体结构的制造特点以及自动铺丝技术的应用。提出了复合材料结构自动铺丝技术工程化应用关键问题。可为国内自动铺丝技术在大型客机复合材料结构成型中的应用提供参考。     

应用机器人自动铺丝技术成型卫星反射器面板

采用自动铺丝技术成型卫星反射器面板,通过机器人平台进行自动铺丝试验。根据反射器面板抛物线方程特性,采用等距偏移方法规划铺丝轨迹;通过分析自动铺放过程中铺放压力、铺放覆盖完整性以及铺放平整性对轨迹规划的要求,确定铺放压力为0.2 MPa、铺放丝束为4丝束。同时对机器人连杆机构及参数进行分析,基于CATIA软件DMU模块对铺丝轨迹进行仿真,并在26℃、16 mm/s铺放速度下通过自动铺放试验验证了反射器面板自动铺丝工艺成型的可行性。     

航空复合材料自动铺丝技术发展概况

自动铺丝技术是一种新型复合材料低成本自动化制造技术,已被成功应用于波音787和空客A350项目复合材料机身制造,是未来复合材料机身制造的一种最具前景的方法。本文介绍了铺丝机系统国内外的发展及应用现状,并展望了自动铺丝技术在我国的发展前景。     

自动铺放内嵌缺陷构件成型方式对拉伸性能的影响

自动铺丝技术使单向的复合材料丝束铺放轨迹得以优化,但是在应用此技术铺放复杂形状结构时可能会导致缺陷的引入。为解决此问题,利用2丝束自动铺放机器人铺放含有空隙和重叠缺陷的层合板试件,按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的顺序,将缺陷分别置于0°和90°铺层内。在试件成型过程中,无模压板的成型方法会导致试件局部厚度和微观结构的变化,这主要取决于缺陷的类型,这对试件的拉伸性能有很大影响,使用模压板可以很好地改善这一点。试验表明:在0°纤维方向上,含空隙缺陷加模压板成型的试件较不加模压板成型的试件拉伸强度提升了218. 5%,重叠缺陷试件加模压板成型后试件拉伸强度也提高了69%;在90°纤维方向上,由于90°方向铺层不是主承载层,模压板对试件性能影响较小,但加模压板成型后,空隙和重叠缺陷试件的拉伸性能也分别提高了3. 2%和15. 6%。     

大型复合材料铺丝机模态分析

对大型复合材料铺丝机的三维实体结构进行模态分析,发现结构薄弱环节,对结构刚性设计提供准确设计方案。     

基于树脂基复合材料自动铺丝工艺的轨迹设计技术探讨

针对树脂基纤维增强复合材料自动铺丝过程中出现的纤维褶皱、分层等工艺缺陷,着重探讨不同轨迹设计方法(固定角、测地线、变曲率)在抑制工艺缺陷上的优劣。对不同轨迹规划方法进行了比较,最终给出针对不同曲面特征、不同铺丝工艺要求的轨迹设计方法。     

利用分段G2 插值方法构造铺丝路径

提出了复合材料铺丝路径的规划方法,其中铺丝基准路线是通过对给定数据点的切方向及曲率向量或测地曲率值,G2连续地插值曲面上点列的方法得到。利用正则参数曲面上一点的切空间与其参数平面对应点的切空间同构原理。将曲面上曲线的插值问题转化为其参数平面上类似的曲线插值问题。该方法能够用显式方程来表示曲面上的G2连续插值曲线。由于引入了若干控制参数,可对曲线进行局部或整体的交互修改。利用该方法进行铺丝路径规划可以反映芯模面的曲率信息,改变纤维的局部走向,使其最终的结果更好地满足丝束铺放要求和构件几何性能的要求。实验证明该方法简单可行,还可用于计算机辅助设计、计算机图形学等领域。     

复合材料铺丝成型中的路径规划

针对复合材料自动铺丝路径规划问题,提出了一种新的基于正交投影的铺丝路径生成算法.首先根据铺丝意图设计空间曲线,然后正交投影到铺丝面上,利用经典的微分几何方法建立特征投影曲线的微分方程,用数值方法求解得到铺丝面上数据点,并用B样条曲线拟合这些点即是铺丝参考线,再对其进行等距得到一条铺丝路径,进而得到所有路径.经过算例进行验证,该算法能实现任意方向的纤维铺放,满足铺丝技术工艺要求.应用本文的研究成果,在CATIA利用CAA中完成了自由曲面的铺丝路径仿真.     

冗余铺丝机械手自运动流形分析及优化

针对传统位姿分离式铺丝机械手灵活性不足的特点,为了提高航空复合材料铺丝过程的灵活性和避障碍能力,提出一种位姿耦合式冗余铺丝机械手自运动流形的新算法。由于冗余铺丝机械手各关节之间的强耦合性增加了逆解的求解难度,该算法将冗余铺丝机械手的关节逆解分解为已知的Paden-Kahan旋量子问题以及由位置关节组成的特殊旋量子问题,并针对特殊旋量子问题进行求解得到冗余铺丝机械手全部逆解,这样相对于位姿分离式解法有效提高了冗余铺丝机械手逆解的求解效率以及求解直观性。由于冗余铺丝机械手的逆解呈现出流形的结构,所以根据冗余铺丝机械手自运动流形的多维特性,将冗余铺丝机械手的自运动流形分别映射到位置关节空间和姿态关节空间得到其三维仿真曲线。由于冗余铺丝机械手逆解流形中的优化流形在实际控制中更具应用价值,所以在铺丝机械手末端执行器沿芯模轨迹运动速度平稳的前提下为了使机械手各关节速度变化最小,提出以冗余铺丝机械手关节速度组成的约束泛函为目标得到相应的运动学优化流形,并为后续的最优控制奠定了基础。最后以某型号飞机S形进气道为例验证了所提方法的可行性。     

网格铺丝用预浸丝分切性能研究

针对网格铺丝用预浸丝特点,采用国产T800/603B热熔预浸料,根据网格尺寸分切出适合网格铺丝用宽度的预浸丝,以分切5mm和10mm预浸丝为例,开展网格铺丝用预浸丝制备工艺研究,并探究分析分切宽度精度、搭接接头强度及分切预浸丝边缘损伤情况对网格铺丝用预浸丝质量的影响。结果表明:分切出的不同宽度的预浸丝能够满足网格铺丝用预浸丝使用要求。     

丝束张力对自动铺丝成型工艺的影响

为获得良好的铺丝成型质量,通过理论分析和实际铺放实验,从送丝质量和铺放质量两个角度出发,研究了丝束张力对自动铺丝成型工艺的影响。送丝实验发现,丝束张力的大小对送丝精度和送丝可靠性影响显著;铺放实验发现,过大或过小的丝束张力都会导致铺放质量的下降,铺放过程中丝束张力维持在合理的范围内;基于铺放过程中预浸丝束的受力分析,探究了不同铺放条件下铺放张力对铺放质量的影响,讨论了影响丝束张力取值范围的因素,建立了丝束张力取值范围的计算公式并对该公式的合理性进行了实验性验证。最终得出结论,丝束张力是自动铺丝成型工艺的重要工艺参数之一,铺放中丝束张力的取值应随曲面形状和铺放轨迹的改变而调整,并与其他铺放工艺参数相匹配以实现铺放质量的最优化。     

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。     

铺放压力和铺放压辊对丝束铺放质量影响的研究

探讨了规则形和不规则形空间曲面产生铺丝轨迹线的方法,借助有限元的自由网格划分技术,在CAE环境下产生曲面的规则网格划分,提取节点位置信息顺序建立铺丝轨迹线。在铺丝轨迹基础上,导出了筒形件的理论铺丝间隙,采用非线性接触有限元技术模拟了铺丝压辊与筒形件模具力学模型,得到最佳铺丝压力与铺丝参数之间的变化规律,通过调节铺丝参数使丝束与模具表面完全贴合,为提高铺丝质量与精度奠定了基础。     

自动铺丝过程中的典型缺陷及原因分析

自动铺丝工艺已经成为飞机机体结构的主要制造方法,对于铺丝工艺的研究也越来越多。聚焦了自动铺丝工艺过程中的常见缺陷、缺陷的形成机理以及缺陷对力学性能的影响。在总结了当今国内外最新的研究成果基础上,结合自身在实际铺丝过程中遇到的常见缺陷,分析了造成缺陷的原因,铺放材料包括热固性预浸料、热塑性预浸料和干纤维。综述了有关铺丝工艺常见缺陷的研究;介绍了转变半径试验中遇到的缺陷;分析了曲面模具上铺贴质量问题;研究了夹层结构的主要缺陷类型;最后分别介绍了干纤维和热塑性复合材料自动铺丝的常见缺陷。     

不同自动铺丝工艺参数对T800级碳纤维/环氧复合材料孔隙率的影响研究

采用T800级碳纤维/环氧树脂单向带铺丝预浸料,使用自动铺丝工艺制备不同厚度的试验层板,探究固化压力、层板厚度及尺寸、自动铺丝压紧力等各项参数对孔隙率及孔隙分布的影响,采用超声C扫描表征复合材料层板孔隙率区间。研究表明,当固化压力降至某临界点后,孔隙率呈现先快速增加又逐渐减慢增加的趋势;厚铺层的层板的孔隙率高于较薄铺层的层板,靠近中间及底部铺层位置的孔隙较多;尺寸较大的层板,高孔隙率的区域相对集中分布在靠近层板中间的位置,且孔隙率区间较大;固化压力较小时,采用小压紧力铺丝的层板会形成更高的孔隙率;对于大型复杂的复材结构件来说,不同的铺丝工艺参数对孔隙率的影响也具有上述趋势。