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。     

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。     

基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法

 基于轨迹的可铺放性要求分析了铺放过程中预浸料产生畸变的原因及影响轨迹可铺放性的因素。根据测地线定义构造了一种基于网格化曲面的测地线新算法,具有高效率、高精度等特点;在此基础上综合考虑预浸料的可铺放性和构件强度分布要求,提出了具有曲面自适应功能的铺放轨迹算法,可根据预浸料带宽计算得到铺放轨迹容许的最大测地曲率,并将其运用于铺放轨迹设计,使轨迹能够保证预浸料良好可铺放性的同时又满足构件的强度分布要求。最后通过数据库SQL Server和VC++针对某型号S型进气道进行铺放轨迹设计,在CATIA中将计算获取的离散轨迹点拟合成曲线并进行了实际的铺放试验,验证了测地线生成算法和铺放轨迹生成算法的正确性和有效性。     

大型复合材料构件数字化制造技术

大型复合材料构件数字化制造技术包括预浸料数控下料技术、铺层激光定位技术、自动铺带技术、纤维丝束铺放技术等.该技术的研究与应用不仅满足大型飞机复合材料构件的制造要求,而且还将推动我国航空装备制造业的快速发展.     

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。     

含孔曲面自动铺丝轨迹规划算法

针对现有开孔轨迹规划算法存在无法适应复杂曲面、计算效率较低、无法解决复合材料大型开孔构件自动铺丝轨迹规划的问题,首先对含孔曲面进行拓扑重构,基于纤维丝轨迹与近似孔中心点的几何关系确定需进行裁剪的纤维丝轨迹,降低算法计算量;其次针对开孔边界交点问题提出基于孔边界的交点求解算法,在满足精度要求的前提下可大幅度提升算法效率;然后针对纤维丝轨迹孔边界处理问题提出基于切线法的延长算法,以高效进行开孔边界处理;最后通过软件开发实现了提出的算法,并在多种构件模型上进行铺丝路径规划和实际铺放实验,验证了算法的效率和正确性。     

自动铺带技术在某型机壁板中的应用研究

随着航空产业的不断发展,先进复合材料凭借其出色的减重性能和高度的可设计性,逐渐成为未来航空器的主要材料。复合材料的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。论述了当前复合材料构件纤维自动铺放技术制造现状及发展前景,并介绍了复合材料构件自动铺带技术在新舟700飞机壁板零件上的应用情况。     

数字技术在机身复合材料上壁板制造中的应用

目前,国内飞机复合材料构件还是手工铺叠为主,无损检测基本上也是手工操作,根本不能适应我国飞机复合材料构件制造的发展,尤其是不能满足大型复合材料构件的要求,这将成为大飞机结构研制的瓶颈,必须尽快采用自动铺带、自动丝束铺放及大型自动无损检测设备,以满足我国大飞机结构研制的需求。     

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。     

复合材料风扇叶片铺层设计方法研究

为了设计航空发动机复合材料风扇叶片,根据相关准则,系统建立了复合材料风扇叶片的铺层结构设计流程,针对某自行设计的风扇叶片,完成了叶片的几何模型检测、体积填充铺层设计、铺层纤维方向的确定、铺层的分组与顺序调整,以及铺层的结构检查与可制造性检查。对铺层顺序调整前后沿叶高及弦长方向的铺层过渡进行了对比分析,完成了铺层的可制造性检查与改进。结果表明:铺层结构满足现有复合材料铺层设计准则要求,铺层的递减过渡合理,可制造性良好。     

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.     

产品

<正>厂商:北京长征中装科技有限公司代表产品:英格索尔自动丝束铺放机英格索尔纤维铺放工序的柔性,高精度和高加工性能,能够适合加工机身壁板,发动机罩,有效载荷整流罩等各种复杂曲面构件。英格索尔自动纤维铺放机的特征是7轴联动的一个多达32股独立纤维丝束的纤维输送装置;双铺丝头工作,具有双向铺放能     

面向柱面结构的自动铺带四轴联动成形研究

 根据柱面的结构特点,提出了面向柱面复合材料结构的自动铺带四轴联动成形方案,并以卧式自动铺带机为例进行分析。以保证铺放头压力线平行于曲面在铺放点的法线和保证铺放速度恒定为原则,根据D-H理论建立柱面固定角度铺放成形时铺带机各关节运动量的计算方法。应用逆运动学理论,对四轴联动铺带成形进行了运动学分析。从四轴联动铺带机的机构与控制、铺放速度、成形效率、方案可行性4个方面进行了深入分析,并进行可视化仿真和实验验证。结果表明应用本文方法,可实现用四轴联动铺带机完成柱面复合材料自动铺放成形,对于铺放成形效率要求不苛求的小批量实验或生产,具有低成本的突出优势。     

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。     

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。     

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。     

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。     

复合材料结构中的纤维路径及连续纤维的均布性

本课题基于对复合材料结构中某一组合单元在指定方向上应具有最大承载能力的要求,提出了纤维路径的概念,并由每层纤维并行排列、连续纤维均布性、纤维面密度值固定的规定,引申出每层纤维的连续性和连续纤维均布性指标,提出了最大铺叠宽度和最小铺叠宽度的工艺参数,并针对一些典型曲面的纤维路径提出了铺叠工艺的实施方法。     

自动铺丝末端缺陷角度对层合板拉伸性能的影响

自动纤维铺放(AFP)工艺能够有效制造大型复合材料构件,但在铺放过程中因为丝束末端等断面而出现不同角度内嵌缺陷。为解决相关问题,按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的铺层顺序,在0°和90°铺层内分别设置不同丝束末端角度的孔隙缺陷或重叠缺陷。结果表明:不同角度纤维铺层内嵌不同角度缺陷时,导致复合材料构件差异明显。在90°纤维铺层方向上,内嵌90°孔隙缺陷和90°重叠缺陷时,试件拉伸强度最高,拉伸强度比分别为90. 89%和90. 11%。在0°纤维铺层方向上,内嵌±30°孔隙缺陷和30°重叠缺陷时,试件拉伸强度最高,拉伸强度比分别为28. 48%和50. 71%。     

复合材料风扇叶片力学性能试验研究与有限元分析

依照制定的规范化试验流程,进行额定工况和二倍超载工况下的静力加载试验和全寿命周期疲劳试验,以验证复合材料风扇叶片运转工况所需的力学性能试验,结果表明复合材料风扇叶片满足使用强度要求,具有足够疲劳寿命。试验流程制定和具体试验方法可为同类产品力学性能检测提供参考。提出一种曲面外形构件复合材料属性设置方法,基于该方法建立复合材料叶片有限元模型,应用该模型对复合材料叶片在额定工况离心力作用下的载荷-位移响应进行计算。计算所得载荷-位移曲线与试验结果基本吻合,验证了计算方法的合理性。