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。     

基于CATIA生成数控加工路径的机器人纤维铺放轨迹规划

纤维铺放轨迹规划是纤维铺放成型中控制加工路径的关键步骤,直接影响复合材料构件的成型精度和铺放效率。本文基于成熟的商业化CATIA数控加工编程软件进行纤维铺放轨迹计算,获取待处理的加工路径,利用矢量补充和格式转换算法解决了铺放轨迹信息与FANUC机器人兼容性差的问题;借助插值算法求出了输送点和剪断点,补充了铺放轨迹信息,进而得到了完整的铺放信息,缩短了开发周期。在基于FANUC机器人的铺放装备上对某飞机舱门进行铺放实验,验证了基于CATIA数控加工技术的纤维铺放轨迹生成方法具有可行性,铺放轨迹结束点位置误差及轨迹间距误差都在±0.5mm之内。     

国外复合材料纤维自动铺放编程软件的功能特点及分析

随着复合材料在现代航空飞行器制造上的广泛应用,用于复杂曲面复合材料构件铺放制造的复合材料自动铺丝机(AFP)已成为现代大型飞机制造的关键设备,而AFP控制系统通常需要通过复杂的指令实现纤维铺放运动的控制,这些指令通常需要采用专用的编程软件来生成,以实现复杂的工艺铺放过程。目前国际上成熟应用的商用编程软件系统虽然复杂多样但也具有明显的共通性,通过对其分析介绍可以为我国今后自主研发相关自动铺放编程软件系统提供有益借鉴。     

自动纤维铺放机

M.Torres推出了新一代TORRESFIBERLAYUP纤维铺放机,该设备与老一代产品相比,生产效率高出一个数量级,堪称当今世界上效率最高的纤维铺放解决方案.     

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。     

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。     

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。     

纤维缠绕/辅带/铺丝成型设备的发展状况

目前,飞机复材构件的自动化成型工艺主要包括纤维缠绕、纤维带铺放和纤维丝铺放3种类型.其中,纤维缠绕技术是最早开发并广泛使用的加工技术,亦是最成熟的生产技术.     

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。     

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。     

复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解

 提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法。首先探讨了铺放方向的确定，基于由芯模形心线得到的铺放参考线，针对沿0°，45°，90°这3种铺放情况，设计了具体的铺放路径生成算法。在此基础上，建立了纤维丝数与铺放路径间的对应关系，基于铺放路径的等距离线，提出并实现了一种纤维裁剪算法，使得复合材料纤维较为均匀地铺放在芯模表面。基于CATIA CAA，开发了相应软件模块。通过铺放过程的模拟，对本文算法进行了验证。     

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。     

铺放参数对复合材料厚度方向力学行为影响

为了探究铺放工艺参数的变化对复合材料厚度方向力学行为的影响,通过面外拉伸实验分析了铺放压力与铺放温度对复合材料厚度方向面外拉伸强度与拉伸模量的影响,并对不同铺放工艺的试件失效模式进行了分析。试验结果表明,增大铺放压力会减小层间富树脂区厚度,使复合材料面外拉伸强度不断增大,当铺放压力为0.225 MPa时取得实验组最大值,与铺放压力0.075 MPa相较强度提升约13.1%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合转变为纤维断裂;铺放压力的进一步增大会挤压层间树脂,改变树脂富集形态,使面外拉伸强度下降,剥离失效模式再度出现。实验用复合材料的适宜铺放温度为30℃,过高的铺放温度会导致孔隙率的上升,使复合材料的面外拉伸强度严重下降,裂纹扩展失去规律性;与铺放温度25℃相比,铺放温度为45℃时复合材料面外拉伸强度下降达19.2%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合失效转化为单一的纤维层剥离失效。     

先进树脂基复合材料固化过程的铺放缺陷演变规律研究

以纤维皱曲此类典型铺放缺陷为研究对象,研究了预浸料-热压罐工艺过程中复合材料铺放缺陷的演变规律,并对其固化后成形质量及力学性能进行对比分析。研究表明:较短预浸料铺贴及适中的固化压力,有利于提高固化过程中纤维顺应性及试件平整性,可有效弱化纤维皱曲此类铺放缺陷;本实验条件下,70mm复合材料试片在0.4 MPa固化压力下对铺放缺陷的改善效果相对最显著,固化后试片可获得相对较高的力学性能。     

基于预浸纱自动铺放缺陷的分割算法

为保证预浸纱自动铺放成型制件的性能,基于图像处理技术,根据预浸纱表面图像沿纤维方向灰度均匀的特性,提出了一种结合灰度补偿和差影分割的缺陷分割算法。利用图像灰度补偿矩阵对图像进行灰度补偿,依据图像的灰度误差服从正态分布的特点剔除图像矩阵中的极大误差点,并建立标准背景图像,以允许差值系数K作为判据进行差影分割。结果表明:该算法对气泡、异物两种典型铺放缺陷分割效果好、速度快,为实现自动铺放缺陷在线监测提供了良好的理论基础。     

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。     

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。     

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。     

自动化设备和生产线在飞机复合材料零件制造中的应用

近年来,自动化技术与复合材料零件制造的结合使航空制造发生了革命性的变化,不仅仅是加工材料的改变,也包括加工方法方面的变革,诸如铺放、固化、模压、编织及缝纫等的各种加工方式使零件的制造越来越自由,生产效率、材料利用率和零件的质量得到了很大的提升. 复合材料零件自动化生产设备 自动铺带机和自动铺丝机的迅猛发展为复合材料在在飞机主要结构件生产中的大范围应用铺平了道路,使得大面积高速生产机身和机翼大型零件成为可能.     

CF/PEEK超声原位固结铺放及其复合材料力学性能

热塑性复合材料自动铺放（ATP）原位固结成型是未来航空复合材料结构件的发展趋势,缩小其制件与热压制件性能的差距具有工程实践意义。基于超声原位固结成型工艺,制备碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料（CF/PEEK）层合板,并与铺放后热压和直接平板热压试样比较力学性能差异,为热塑性复合材料的自动铺放提供参考。结果表明,超声热源能够满足CF/PEEK铺放的能量要求,功率的增加和铺放速度的降低有利于铺层结合;与平板热压试样相比,铺放成型试样的孔隙率高,纤维存在部分损伤;在节省了平板热压后固化周期的情况下,超声铺放单向层合板试样拉伸强度、拉伸模量和层间剪切强度分别为1.32、113.8 GPa和39.2 MPa,达到了直接热压试样的80.4%、84.8%和65.1%,在经过热压后固化后,分别提高到直接热压的92.1%、92.6%和82.5%。超声原位固结成型试样的简支梁摆锤冲击失效形式为分层,其经过热压后,孔隙率下降,铺层结合强度提高,试样的冲击失效形式为断裂,与直接热压的相同。