复合材料自动铺丝技术研究进展 - 图文 - 下载本文

3.1 国外自动铺丝技术的发展

针对纤维缠绕技术在飞机机身制造上的不足,美国航空界在20世纪70年代首先对自动铺丝技术进行了研究,经过20多年的发展,自动铺丝技术在美国和欧洲已经成熟,并在航空航天、国防工业上得到广泛应用[22]。数十年来欧美发达国家实施了,由政府和军方组织、高校与科研机构参加的多个复合材料发展计划。这些计划的实施突破了航空复合材料结构设计、材料、工艺等关键技术,推动了复合材料技术的迅速发展,起到了显著的效果。

国外在纤维铺放线型规划方面做了大量的研究工作,形成了多种线型规划模式。Brandmaier研究了复合材料最优纤维方向,提出了复合材料最大强度的理论;Hyer[23]等学者研究了曲线纤维承载能力并在此基础上设计出了抗弯曲的能力更高的复合材料制品;Gürdal等学者优化了四边形板的纤维排布极大的提高了纤维制品承载能力;Bijan Shirinzadeh[24]等学者对复杂曲面构件表面的铺丝路径进行了深入探讨,提出了SCAR算法,减少了铺放纤维间的间隙和重叠等。

自动铺丝理论的深入研究为铺丝CAD/CAM软件的研制奠定了理论基础,欧美发达国家的大型商业软件开发商结合自身软件特色和设备制造商一起已经联合开发了多套商用的自动铺丝CAD/CAM软件[25]。例如:美国堪萨斯大学研制开发的复合材料分析与设计控制系统(SCADS)可将手工铺放和自动铺放两种成型方式有机结合,对复合材料构件进行结构设计和性能分析,优化预浸丝束铺放路径;美国的Cincinnati公司于1989年以CITIA为基础开发的ACES系统可以完成离线模型导入、铺丝线型规划、后处理、加工仿真和NC代码生成等功能;西班牙M-Torres公司也以CATIA为平台开发了相应的自动铺放软件,能够完成多种铺丝线型规划和仿真,极大的方便了操作人员的编程作业。

战斗机F22、F18、X32和F35以及军用战机F/A-18E/F等分别采用自动铺丝技术制造进气道或机身蒙皮等[26]。自动铺丝技术在商用机上也有使用,例如 Raytheon公司的PremierⅠ和霍克商务机的机身部件均采用纤维铺放技术制造。通过这种技术,Raytheon公司首创了没有框架和加强筋的机身外壳结构,而且这种外壳也没有铆钉和蒙皮接点,这些特点使得飞机有了更多的可用空间来容纳乘客或货物。Boeing747及767客机是自动铺丝技术应用于客机制造的典型代表,这两种客机的Φ3m的发动机进气道整流罩试验件都是采用铺丝技术制造的。除

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此之外,自动铺丝技术也广泛应用于航天器的制造,如X33储箱、Atlas5型运载火箭防护罩等[27]。可以说自动铺丝技术极大程度的促进了国外航空航天事业的发展。

3.2 国内自动铺丝技术的发展

由于技术封锁和装备禁运,国内自动铺丝技术仍处于起步阶段。南京航空航天大学在国家863项目的支持下研制出国内第一台铺丝原理样机并在此基础上开展了积极有益的探索,完成了8丝束铺放实验系统、铺丝用精密低张力测控系统、铺丝开放式数控系统的研制和溶剂法专用预浸沙研究。目前,南京航空航天大学正在开展自动铺丝工程样机的研制工作,并基于CATIA研发配套的自动铺CAD/CAM软件,为自动铺丝技术在国内应用奠定了基础[28]。哈尔滨工业大学也开展了相关的研究工作,完成了铺放头设计、控制方案和试验性研究工作。在原有的六轴缠绕机的基础上进行技术改造,研制并设计了一种7轴纤维铺放头,提出了相应的控制方案,并对数控铺放系统的后置处理算法进行了系统研究。天津工业大学以直升机Z8F的主旋翼大梁自动铺带为应用背景,开展自动铺丝成型技术的研究工作。

武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所在“十五”期间就开始对自动铺放理论进行了深入的研究,包括:铺放机机构设计仿真、铺放间隙检测、数控铺丝虚拟机开发、研制出9轴控制7轴联动六丝(窄带)铺放原型机等[29]。在铺放制备的研制与工程实践中积累了丰富的经验,为自动铺丝技术的线型规划、运动轨迹规划、CAD/CAM软件系统等的深入研究奠定了很好的基础。图3为武汉理工大学研制的一个自动铺丝原型机。

图3 自动铺丝原型机

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尽管引进了一些先进的自动化设备(包括数控剪裁、激光、辅助铺叠设备等),提高了下料自动化程度和丝束铺放精度,但是国内高性能、复杂曲面的复合材料构件基本上以手工铺叠为主。这种状况极大的制约了高性能的复材构件在兵器装备和航空航天领域中的大规模应用,制约了国防发展[30]。因此大力进行自动铺丝技术的研究则显得尤为必要。

4. 展望

自动铺丝技术研究的发展方向是与热塑性复合材料直接固结技术、电子束固化技术结合,替代热压罐成型。电子束固化技术是重要的低成本制造技术,可以大幅度降低制造时间、材料消耗和能源。传统电子束固化采用铺叠后一次辐射固化,其电子束的能量高,加速器的初投资巨大,且辐射防护的投资随之增加。采用与自动铺丝技术相结合的手段后可以使用逐层电子束固化的方法,即完成一次铺放后便实施电子束固化,这样可以克服传统电子束固化的缺点。波音公司最新研制的B787机身全部采用复合材料自动铺丝成形,分段整体制造,大大简化了工艺,带来了航空制造技术的变革。自动铺带刚刚用于翼面类构件成形,自动铺丝技术更晚,从技术发展趋势来看,采用自动铺丝技术制造复合材料机身是大型飞机制造技术的必由之路。

而目前我国大飞机项目已经实施,自动铺丝技术在复合材料翼梁制作中得到了极其广泛的应用,而我国在自动铺放装备研制、生产和实际工业应用基本上还处于起步阶段,和国际先进水平存在有较大差距。因此,自主研制自动铺丝机并迅速开展工程应用至关重要。

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