先进复合材料自动铺丝技术研究进展

随着先进复合材料在航空航天领域广泛应用,复合材料自动铺丝技术受到了业界越来越多的关注。从复合材料自动铺丝头结构设计、自动铺丝控制技术和方法、自动铺丝工艺研究和自动铺丝CAD/CAM软件系统开发4个方面介绍了当前国内外自动铺丝技术的研究进展。进一步总结了国内自动铺丝装备和技术研究中存在的一些问题,探讨了国内自动铺丝技术需要深入研究的内容和发展方向。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

复合材料卫星整流罩端头成型工艺研究

本文介绍了一种复合材料卫星整流罩端头的浸胶，铺层，固化工艺。研究表明，大尺寸，变厚度复合材料端头采用阴模铺层和热压罐化工艺，成型后的产品外表面平整，光滑，无皱折，不仅满足了气动加热表面的质量要求，力不性能也满足了要求。     

大型复合材料筒形结构自动铺带技术

采用国产T300/605热熔法预浸料,对大型复合材料筒形结构自动铺带技术进行了研究.通过对自动铺带角度的工艺优化,铺带角度进行微调,实现了复合材料筒形结构的满覆盖铺放.在此基础上进行了大型复合材料筒形结构的自动铺带工艺试验,对自动铺带工艺试验件进行无损检测及取样性能测试.结果表明:预浸料铺覆性良好,自动铺带成型的预浸带间隙或重叠≤1 mm,铺带角度与理论铺带角度偏差≤0.2°.试验件成型质量良好,自动铺带技术可以满足大型复合材料结构高质量成型需求.     

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间，能更充分发挥复合材料各向异性的优势，研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性，并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响，然后利用Python编程，结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现，纤维角度变化宜控制在20°范围内，当面板与筋条同时承受压缩载荷时，面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低；遗传算法稳定且收敛性好，通过优化后的结果发现，纤维角度集中在60°～65°时，加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能，应用前景广阔。     

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...     

面向高速铺放预浸料层间粘结性能研究

为了研究自动铺放过程中预浸料层间粘结性能与铺放工艺的关系,自行设计了一套模拟高速铺放过程的预浸料粘结性能测试系统,采用自动铺放和剥离实验分开进行的"两步法"作为粘结性能的测试方法。利用该测试方法研究了CCF300/BA9916-2环氧树脂预浸料的自动铺放粘结性能工艺特性,采用单因素实验,研究了不同铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响规律,并运用正交实验,确定了各铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响程度。实验结果表明,预浸料层间粘结性能随着铺放压力和铺放温度的增大而增大,随着铺放速度的增大而减小。铺放温度对预浸料层间粘结性能影响最为显著,其次为铺放压力,铺放速度影响最小。     

含铺层拼接层合板的力学性能

为研究铺层拼接对复合材料层合板力学性能的影响,设计了含不同铺层拼接形式的碳/双马复合材料层合板试件.采用拉伸试验方法测定了材料力学性能,得到了不同拼接形式下层合板的拉伸强度.试验表明,含铺层拼接层合板的失效模式为层间剪切破坏和纤维断裂.建立了铺层拼接层合板的有限元模型,分析了铺层拼接对层合板应力分布和层间应力的影响.     

复合材料自动铺丝设备研究现状

自动铺丝成型工艺因其高质量、高效率、高成型适应性、低废料率等工艺特点,特别适用于大型复杂复合材料构件的自动化成型,如机身、进气道、承力锥、翼身融合体等。从床身形式、纱箱系统、铺丝头结构等角度展开,总结了自动铺丝成型设备的发展现状,分析了现阶段国内相关的研究成果与应用现状,最后对自动铺丝成型设备未来的发展趋势进行了展望。     

直升机复合材料桨叶铺层三维几何建模方法

针对直升机复合材料桨叶铺层几何建模过程中存在的效率低、工作繁琐重复等问题,提出了一种桨叶铺层三维几何建模方法。首先系统归纳了典型的桨叶铺层类型,提出了一种面向复合材料铺层几何建模的铺层信息参数化表达方案,并通过一个智能向导引导设计人员对各铺层进行定义和描述,在此基础上由软件算法自动生成桨叶铺层设计表格;根据桨叶理论外形和桨叶铺层设计表格,通过铺层区域裁剪复制和分片逐次等距方法构造桨叶当前铺层几何模型,并实现整个桨叶铺层几何模型的自动生成。通过实例验证表明,该方法能够快速、高效地实现复合材料桨叶铺层的三维几何建模。     

热塑性复合材料原位成型过程铺层间结合强度

连续纤维增强热塑性复合材料自动铺放原位成型可以实现结构件在制造过程中一次成型,而不需进入热压罐后处理,属于"非热压罐"制造技术,故原位成型过程中铺层间的结合强度将直接决定最终结构件的性能。通过建立铺层间紧密接触模型及高温高压下分子链扩散模型,预测原位成型过程中铺层间的结合强度与成型工艺参数之间的关系,对原位成型工艺参数进行优化,并通过试验验证模型的正确性。试验结果表明,模型预测结果与试验结果基本相符,通过计算发现,压辊压力达到1500 N时,铺层间的紧密接触度才能达到1;通过提高升温速率的方式缩短分子链的扩散时间;原位成型试片的层间剪切强度（ILSS）仅达到热压罐成型的70%左右,因此还需对原位成型试片性能的其他影响因素进行分析。     

复材机身隔框制造技术研究进展

阐述了采用单向带+自动铺丝+自动辊压、自动铺丝+热隔膜、编织预浸料、编织预成型体+LCM、NCF预成型体+LCM 5种工艺方法制造复合材料机身隔框,详细描述了各类工艺方法的技术细节、优缺点以技术应用状况及发展趋势,最后从力学效益、生产效率、综合成本进行对比分析,为复合材料机身隔框的制造提供工艺借鉴。     

T700/PEEK热塑性自动铺放预浸纱制备质量控制及性能研究

为满足高性能热塑性复合材料自动铺丝（AFP）成型工艺的原材料需求,研究了粉末悬浮法浸渍制备T700/PEEK预浸纱关键工艺参数及预浸料性能,分析聚醚醚酮PEEK浸渍连续碳纤维过程中不同工艺参数（悬浊液浓度、超声功率、张力、牵引速率、浸渍温度、辊压温度及压辊间隙）对预浸纱质量的影响规律,利用扫描电子显微镜（SEM）观察T700/PEEK预浸纱内部孔隙率及界面结合状态,将粉末悬浮法制备的T700/PEEK预浸纱模压制备了热塑性复合材料单向层合板试样,并测试了其热塑性复合材料层间剪切强度和拉伸强度。研究结果表明：预浸纱含胶量与粉末悬浮液浓度变化线性正相关,且随超声功率的增大而升高;浸渍过程中伴随温度的升高以及牵引速率的减小,预浸纱宽度变小、孔隙率降低,随着张力的增大,预浸纱宽度增大、孔隙率降低;辊压成型过程中随着温度的提高以及压辊间隙的减小,预浸纱宽度增大、孔隙率降低。综合考虑各工艺参数的影响规律,获得优化的热塑性预浸纱制备工艺参数：浸渍温度为360~370℃,辊压温度为330℃,压辊间隙为0.1 mm,牵引速率为15~20 mm/s,张力为7 N。扫描电镜结果显示树脂与纤维界面结合紧密,复合材料的孔隙率可降低至1.8%,复合材料层间剪切强度为73.43 MPa,纵向拉伸强度达1.71 GPa。