某大型飞机复合材料壁板工艺仿真及验证技术

热压罐固化成型是制造复合材料的常用方法,固化期间罐内温度分布变化以及模具与复合材料构件之间的热不匹配、柔性模具的低热导率等因素导致制件内部不可避免的产生温度梯度以及残余应力,从而影响材料的使用性能。大尺寸曲面帽型壁板采用复合材料热压罐工艺成型,根据热压罐的工作原理,针对复合材料构件热压罐成型过程中温度场分布和固化变形等问题,进行了仿真分析,通过对比制件温度场分布和固化变形仿真计算结果以及全尺寸零件的实际验证结果,验证了预测方法的正确性。分别利用成型工装和检测型架改进优化以及制造过程优化来控制构件固化变形,使其形状满足产品尺寸的精度要求,证明根据工艺仿真计算结果以及工艺过程改进,可以对大尺寸曲面帽型壁板在制造工艺过程中出现的变形回弹及残余应力水平进行预估和最大限度的减小,实现复合材料结构设计和制造的一体化,提高制件的成型质量。     

Composite materials for primary aircraft structures: from development phase to high volume production rate

From 1980’s decade, the introduction of carbon composite materials in structural applications has been consistently increased in the successive generations of civil aircraft from Single Aisle to Middle-long Range to achieve a culminant point with more than 50% in structure weight in recent commercial civil aircraft. This evolution, done through successive iterations, has been possible by combining in the same time the improvement of intrinsic composite material performances and its transformation into prepreg production technologies together with the development of new manufacturing process for material lay-up automation at composite shop-floor manufacturer of aircraft composite parts. New challenges are still coming to continuously develop materials and technologies in order to pursue the production more cost-effective composite parts. Associated to higher aircraft production rate for single aisle, new challenges may force material and aircraft designers and producers to furthermore drive new products and processes introduction and new ways of transformation within in next decade of composite aircraft designs. We propose to illustrate these trends using past and recent developments and our return of experience from Hexcel on Civil Aircraft programs.     

氮化硅短纤维多孔材料制备与性能研究

以氮化硼为烧结助剂,采用抽滤成型方法制备氮化硅短纤维多孔材料。通过氮化硼和氮化硅纤维的氧化过程分析,确定了最佳烧结制度。对不同氮化硼含量材料的微观结构、压缩及介电性能进行了测试分析。结果表明:在1 200℃时,氮化硼氧化增重达20%,氮化硅纤维表面明显氧化;随着氮化硼含量的增加,氮化硅纤维粘结明显,粘结点主要成分为二氧化硅和硼硅酸盐,氮化硅短纤维多孔材料的ε随着密度的增加从1. 36增加到1. 62,tanδ从7. 8×10~(-4)增加到9. 5×10~(-4),材料10%压缩应变下的压缩强度从0. 58 MPa提升到2. 03 MPa。     

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。     

单向纤维集束的树脂浸润影响因素

运用自行研制的浸润特性测试系统,研究了环氧树脂对单向纤维集束的浸润行为,分析了纤维体积含量、树脂温度、纤维种类及纤维表面浸润剂等因素对浸润的影响规律.研究表明,增加纤维体积含量、升高树脂温度、去除纤维表面浸润剂均可加快环氧树脂对纤维集束的平均浸润速率.研究结果对指导复合材料成型工艺的合理设计、开发浸润特性表征新方法具有重要的意义.      

经编织物增强聚丙烯复合材料

采用2种不同编织形式的经编织物经过热压成型制备了连续玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合材料,并利用扫描电子显微镜对该复合材料的浸渍状态微观形貌和空隙率进行了分析.同时研究了织物结构对复合材料浸渍性能的影响,讨论了影响复合材料力学性能的因素及其变化规律,比较了2种织物的编织形式.结果表明,经编织物法是制备热塑性复合材料的可行途径;不同织物形式具有不同的浸渍性能,直接影响复合材料的力学性能.      

压电柔性结构振动的鲁棒控制

针对具有多面体型参数不确定性和外界扰动的柔性悬臂梁系统,研究其振动的鲁棒控制问题.基于压电柔性悬臂梁系统的状态方程,利用一种扩展LMI(Linear Matrix Inequality),对柔性悬臂梁的振动提出了改进的 H₂/H_∞ 综合状态反馈鲁棒控制方法.此方法针对多面体型参数不确定性系统引入不同的Lyapunov函数,降低了原来 H₂/H_∞ 综合鲁棒控制方法中由于使用一个公共Lyapunov函数而产生的保守性.通过Matlab分别采用改进和未改进的 H₂/H_∞ 鲁棒控制方法对柔性悬臂梁系统的振动控制进行了数值仿真.仿真结果表明,2种方法都使柔性悬臂梁的振动得到了良好控制,而改进方法的控制效果更好.     

采用微扰法测试碳泡沫的电磁参数

利用网络分析仪连接矩形谐振腔组成材料电磁参数微扰法测试系统。由谐振腔微扰理论出发,得到以托管装载小样品测试时复介电常数和复磁导率的计算公式。对碳泡沫进行电磁参数测试。结果表明,随着碳泡沫电导率的增加,其介电常数缓慢增加,电损耗先增加后减小,而磁损耗不断增加。碳泡沫具有介电常数小、电损耗大、随电导率增加而增加的非本征磁损耗,这种独特的电磁损耗特征使得碳泡沫有用作宽频带高温结构吸波材料的可能性。     

含左手材料的单、双层结构微波吸波材料设计

提出了含左手材料的单层微波吸波结构及具有不同结构形式的双层微波吸波材料的设计方案。建立了用于描述其吸波性质的物理模型,利用转移矩阵方法逐一推导出了他们的吸波原理,提出了针对每种微波吸波材料结构的、在设计过程中必须遵从的设计原则。介绍了上述吸波结构的一般设计方法,并给出了经理论推导得出的、在设计过程中可能用到的计算公式。     

二维硼材料的理论和实验研究进展

硼与其近邻元素碳一样形成sp~2杂化,易形成复杂的多面体结构。硼烯是硼元素的二维同素异形体,研究者们对其结构和物化特性一直有着浓厚的研究兴趣。由于其制备技术难以突破,长期以来该领域的研究只停留在理论探索上。最近,在铜、银基底上生长出了单层硼烯薄膜,并对其原子结构和光电特性进行了深入研究,这些实验研究为未来研制基于硼烯的高性能电子器件奠定了良好基础。本文首先介绍硼烯的理论研究进展,然后着重介绍二维硼实验制备及其光电性能表征等研究,并对当前国际上二维硼薄膜实验研究进展进行了总结和展望。