蜂窝夹层结构自动铺丝工艺试验研究与优化

夹层结构的自动铺丝存在蜂窝塌陷、倒角处架桥、铺丝头与蜂窝干涉碰撞等问题。为了解决以上问题,对蜂窝夹层结构的自动铺丝工艺进行了研究,包括材料加热参数、压实力的选择,铺放路径的仿真规划,蜂窝芯材的台阶设计,以及蜂窝极限边角等。对蜂窝夹层结构的铺丝路径进行了设计并实际铺放,对铺放过程的缺陷及其产生原因进行了分析,并得到优化验证。研究发现加热参数会影响预浸料的铺贴性,温度过高会使预浸料灼伤。为保证铺贴质量,蜂窝倒角不宜超过30°,并且蜂窝与底面需平滑过渡,最后蜂窝的位置需与设计严格一致。     

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。     

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。     

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。     

温度对预浸料铺放效果的影响

为了有效控制自动铺带成型工艺参数,针对自动铺带成型工艺过程,分析了自动铺带成型过程中温度对预浸料铺放效果的影响.在一定的压力和速度作用下,根据温度对自动铺带过程中预浸料基体流动性的影响,提出了一种基于热弹性理论来计算预浸料形变的方法.针对预浸料的铺覆性和形变进行自动铺放试验,验证了在自动铺带过程中温度对预浸料黏附性和带...     

中型无人机复合材料机翼梁的成型工艺北大核心CSCD

中型固定翼无人机机翼梁为碳纤维复合材料层压结构,传统的阴模-预浸料成型虽然能极大提高外形尺寸稳定性,但该方法即使在引入硅橡胶芯模也较难以确保圆角处的正压力以及因其成型带来的架桥、气泡裹入等现象;本文利用组合式自适应均压板辅助工装及阳模-预浸料成型方法,在确保机翼梁制件外表面质量的同时不仅显著提高了机翼梁制件内表面质量,还使得工艺得到明显简化,极大地避免了因成型带来的架桥、气泡裹入等现象;并通过随炉件制作及性能测试得到单向预浸料的弯曲强度为1549 MPa,弯曲模量为110 GPa,层间剪切强度为87 MPa。     

大型复合材料成型工装热-结构耦合变形分析

热压罐成型工艺是目前广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及复合材料胶接结构的主要成型方法.在成型过程中,复合材料制件是在高温高压下与工装一起放进热压罐中固化成型,制件固化成型后几乎不再做任何加工,外表尺寸应满足装配协调要求,不允许强迫装配.然而,工装在整个成型过程中因承受高温热载荷、自身重力及成型辅助件压力的共同作用而发生变形,工装的变形直接影响到制件固化变形而最终影响到复合材料制件的实际形状和尺寸精度.     

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%。     

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。     

适用自动铺丝工艺的中模高强碳纤维预浸料研究

目前,自动铺丝技术是航天航空大型结构件制备工艺的发展方向,而中模高强碳纤维预浸料适用于航天航空主承力结构件的制备,达到减重的需求,因此,自动铺丝工艺用中模高强碳纤维预浸料的研究至关重要。采用HF40A中模高强碳纤维匹配EH918树脂体系,开展了预浸料的自动铺丝工艺适用性研究。通过与满足自动铺丝工艺的某预浸料对比分析,确定了满足自动铺丝工艺要求的EH918/HF40A;对比手工铺放与自动铺丝制备的板材的力学性能,数据表明,自动铺丝板材的力学性能与手工铺放板材性能相当,无明显差异;采用该材料和自动铺丝工艺制备了典型部件,并进行了无损测试,其质量满足指标要求。     

大型复合材料丝束铺放机关键部件结构分析

对大型复合材料丝束铺放机关键部件进行了计算分析,对丝束铺放机的总体结构、网格划分及约束加载进行了介绍,详细分析了横梁和铺丝头在不同工作位置由于自重引起的丝束铺放机的变形以及变形对直线运动精度的影响。分析数据对丝束铺放机关键部件结构优化设计提供了理论依据,为横梁反变形设计提供了重要数据。     

复合材料长桁机械成型工艺

复合材料自动化成型技术在提高复合材料生产效率、降低复合材料制造成本等方面都具有明显优势,为了改进传统生产效率低、质量稳定性差的缺点,利用设计的长桁机械成型设备制备预成型制件,研究了预成型速率以及预成型温度等工艺参数对于成型制件质量的影响,通过尺寸测量、金相分析等方法表征制件拐角厚度、纤维体积分数、孔隙率、纤维偏转变形等参数。结果表明:97℃预成型温度、1~3 mm/min预成型速率、[90°/45°/0°/-45°]2s铺层方式、2. 99 mm成型间距是较优的成型工艺参数,采用此工艺参数制造的制件厚度均匀、孔隙缺陷少、纤维偏转变形小、质量良好,在铺层表面添加聚四氟乙烯布保护层可以有效改善45°方向铺层出现的纤维偏转变形问题。     

规则回转体自动铺丝轨迹规划与丝束增减

为满足自动铺丝轨迹的满铺覆性要求，针对现阶段自动铺丝轨迹规划存在的不足，提出了不同的丝束增减算法。首先讨论纤维铺放方向的确定和中心轨迹数量的计算，设计不同铺放方向轨迹的生成算法。然后以丝束重叠系数为重要参数，对于纤维局部堆积和空缺问题提出单侧纤维裁剪算法和双侧纤维裁剪算法，并对裁剪后的重叠区域和间隙区域进行面积求解，使得纤维丝束均匀覆于芯模表面。最后基于CATIA CAA二次开发平台，将上述算法集成到纤维铺放CAD系统中，通过运动仿真系统验证算法的正确性。利用提出的丝束增减算法，实现了间隙/重叠区的均匀分布，尽量降低了富树脂区等相关缺陷的聚集对性能的不良影响。     

薄壁曲面复合材料层合板成型工艺参数与形面精度影响规律

为了得到高形面精度复合材料层合板适用的成型工艺控制方法，本文针对典型的Φ500 mm直径曲面球冠结构复合材料层合板，设计了6组不同工艺参数的成型对比实验，分析出边缘效应、铺放方式、固化温度等参数对层合板固化变形量的影响规律。研究表明，增加碳纤维模量和降低预浸料单层厚度可提高层合板形面精度；层合板铺放尺寸超过直径的5%可降低边缘效应的影响；自动铺丝技术铺放质量一致性高，手工铺层可以制造出高形面精度的层合板，但相对发生概率低；降低层合板固化温度和降温速率能够有效地提高层合板的形面精度。实验结论对复合材料高精度成型具有一定的指导意义。     

基于变角度算法的复合材料翼梁自动铺丝

在采用固定角算法的复合材料"C"型翼梁自动铺丝试验中,预浸丝在翼梁的拐角区域出现严重的屈曲与皱褶。在分析了其原因的基础上,利用翼梁的结构和受力特点,使翼梁的自动铺丝轨迹尽量向测地线方向靠近,可以显著减小预浸丝在过拐角时的偏转角度,从而消除预浸丝的皱褶和屈曲。轨迹进入非可展翼梁曲面的缘条后,相邻预浸丝束间会出现无法通过自动增减纱动作进行控制的重叠或间隙,在拐角区域采用变角度轨迹设计方法消除微小的重叠或间隙,实现了"C"型翼梁的满覆性铺放,可减少缺陷,提高构件的力学性能。     

自动铺带成型压力控制技术

通过对自动铺带成型工艺过程的分析,论述自动铺放过程是成型压力作用下预浸带蠕变及回复的连续动态过程。经对预浸带蠕变过程分析,采用分阶段适应性调节铺带头压力的方法保持成型压力恒定,以保证预浸带在铺放后厚度均匀。结合自动铺带CAM软件,提出一种基于铺带轨迹控制点的分段调节铺带头成型压力的控制算法,并采用UMAC （Universal Motion and Automation Controller）控制系统设计相应的控制程序,最终实现成型压力分阶段调节子控制系统的搭建。     

基于机器视觉与UMAC的自动铺丝成型构件缺陷检测闭环控制系统

为保证自动铺丝成型构件的性能,实现对成型构件表面质量的高效检测,本文基于机器视觉检测技术,自行研发自动铺丝成型构件表面缺陷检测闭环控制系统,使自动铺丝过程中预浸纱之间的间隙或重叠在允许范围内,从而保证铺丝精度。研究主要分为三个部分:铺丝成型构件表面图像提取与缺陷检测,检测数据传输,运动轴反馈控制,实现在自动铺丝过程中对成型构件表面缺陷检测实时闭环控制。针对电荷耦合相机采集到的预浸纱图像存在运动模糊和信噪比低等问题,将图像预处理划分为图像复原和降噪两大功能,根据不同类型的噪声采用对应滤波法进行降噪处理,提高了图像的信噪比,为后续检测提供高质量图像;预浸纱缺陷主要由其边缘直线这一几何特征进行表征,因此通过对预浸纱边缘检测实现缺陷识别;利用工控机向图像采集控制器发送命令实现图像采集,同时通过工控机与运动控制器之间信息流和数据流的交换实现检测数据的传输。探讨模糊控制理论用于闭环控制的研究,在反模糊化环节后面,加入自适应参数调节,以适应加工过程的突变,并成功地应用到自动铺丝缺陷检测闭环控制系统中,提高了伺服跟踪精度和跟踪实时性,从而提高铺丝精度。     

七自由度纤维铺丝样机研制

自动纤维铺放技术是解决高强度、轻质复合材料机身和进气道等构件制造的关键技术,该项技术综合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点,在航空、航天等高科技领域得到了广泛应用。本文设计了七自由度四丝束纤维铺丝机及其控制系统,同时对丝束控制、铺丝轨迹规划和优化方法、设备的后置处理等关键技术进行了研究。     

变角度铺丝构件内嵌缺陷精确定位算法

采用自动纤维铺放技术生产变角度铺丝构件时,在通过平移参考路径方法获得完整铺层过程中剪丝操作将导致构件中产生间隙、重叠形式的内嵌缺陷。将参考路径设计为更具通用性和设计自由度的B样条曲线。针对开边柱面铺丝构件,通过延长参考路径、丝束等距、丝带平移、丝束剪断、缺陷定位步骤,提出了不同剪断策略下的内嵌缺陷精确定位算法,该算法适用于任意覆盖参数。最后开发了相应Matlab程序验证算法的有效性,并可视化铺丝构件中内嵌缺陷的分布情况。结果表明算法可以精确确定不同覆盖参数下内嵌缺陷的位置,可为后续有限元精细模型建立提供理论依据。     

自动铺带中红外加热技术研究

为保证复合材料预浸带始终处于适宜铺放成型的工艺窗口内,自动铺带( ATL)成型过程中需要对预浸带的铺放温度进行精确控制.为适应高速率自动铺放,需要研究新的高效加热及精确控制方法.本文提出高加热效率、高响应速率的红外辐射加热方案.通过对红外热源与预浸带能量传输过程的分析,提出了红外加热过程中各传递系数的计算方法和公式.基...