航空工程應用中自動鋪絲軌跡與材料綜述

1、航空工程應用中自動鋪絲軌跡與材料綜述自動鋪絲(Automated Fiber Placement, AFP)技術的全稱是自 動絲束鋪放成形技術，也稱為纖維鋪放技術(Fiber Placement)。該技 術是20世紀70年代作為對纖維纏繞和自動鋪帶技術的改革而發(fā)展 起來的全自動復合材料加工技術，也是近年來發(fā)展最快、效率最高的 復合材料自動化成型制造技術之一;通過精確控制工藝參數(shù)和技術指 標，大幅提高了復合材料結構件的可靠性和穩(wěn)定性，最終目的是代替 傳統(tǒng)的手工鋪放，更加高效精準地完成復材制造任務。1自動鋪絲軌跡區(qū)別于傳統(tǒng)手工鋪疊，自動鋪絲技術由于使用窄帶，其軌跡更加 靈活可控，能滿足對復雜結構外

2、形的鋪放;與此同時，控制缺陷的需求 一定程度上限制了軌跡的靈活性。在此我將圍繞自動鋪絲軌跡問題展 開描述和討論。1.1軌跡設計與缺陷軌跡設計的任務是針對材復結構的幾何形狀、鋪層方向和成型精 度要求并考慮鋪放設備的加工參數(shù)，合理規(guī)劃、設計出制造該結構的 纖維鋪放軌跡，以使最終成型的結構制件滿足設計要求。黨旭丹、肖軍等提出基于測地線的平行等距軌跡規(guī)劃方法，將已 知的曲面上參考線等弧長離散，找到垂直于參考線切矢和曲面法矢的 測地線，使參考線等距偏移從而有效地解決了等距軌跡設計的問題。 由此方法引出了其他一系列疑問，例如面對形狀差別巨大的曲面，如 何給出合適參考線：在轉(zhuǎn)彎半徑小的區(qū)域，等距鋪放意味著會

3、出現(xiàn)褶 皺翹曲，應該如何解決。首先，復合材料的鋪層設計一般需要滿足以 下原則：鋪層定向原則：盡量按常規(guī)角度鋪設，鋪設方向盡量少以此避 免設計制造的復雜性;鋪層取向按承載選取原則：根據(jù)主受力方向 以及其他受力情況考慮選取方法;均衡對稱鋪設原則：為了防止應 力耦合導致固化后的變形;鋪層最小比例原則：09045中任意一 角度的鋪層比例應大于6%10%;鋪設順序原則：為了減小分層的概 率，纖維鋪設方向連續(xù)相同的鋪層數(shù)量最多不能超過4,必須用其他 方向鋪層隔開來降低層間應力;沖擊載荷區(qū)設計原則：對于沖擊載 荷設計時，為了承受沖擊載荷，應該有足夠的0層，為了使載荷擴散， 還應有一定的士 45層。目前還沒有

4、普適性的鋪設角度定義方法，對于復雜曲面來說，鋪 設角度的定義是難點，往往是針對當前部件外形進行分析和定義。適用于管狀結構的鋪絲軌跡算法：設立一條管狀曲面上軸向的線， 大致均勻地分段求出垂直于該軸線的平面，平面與管狀曲面的環(huán)向交 線便是控制母線，利用控制母線進行角度的定義和軌跡設計。S型進 氣道作為典型的不規(guī)則管狀結構，其外形凹凸不平，對軌跡設計要求 極高。該母線控制法能較好地解決一般類圓截面管狀曲面的軌跡設計， 但對于方形截面、表面曲率大的管狀結構，無法設計出高質(zhì)量的軌跡。用微分幾何法建立特征投影曲線的微分方程，以數(shù)值方法獲得數(shù) 據(jù)點，利用三次b樣條曲線設置路徑，并且成功驗證。該方法不需要 依

5、賴計算測地線，而是預先設置空間中曲線，離散曲線獲得數(shù)據(jù)點， 將這些數(shù)據(jù)點作為控制點進行三次B樣條插值垂直投影在曲面上形 成軌跡，優(yōu)點就是較為靈活，理論上可進行任意角度的鋪放，由于垂 直投影性，還兼顧了鋪絲頭的運動軌跡。其缺點在于加大了設計難度， 因為空間曲線難以確定合適的參數(shù)以保證曲面軌跡線的質(zhì)量?；诰W(wǎng) 格曲面化的固定角度算法和基于網(wǎng)格曲面化的測地線算法，該方法將 曲面“微分”成細小的三角平面，每個三角平面的法向量近似作為該三 角平面內(nèi)點的法向量，即易得到法向量;曲線也將在網(wǎng)格化的曲面中 “微分”成很多個短的線段，線段的方向向量易獲得。由此可見，網(wǎng)格 化的曲面求解軌跡的思路非常簡單，但精確度

6、及其依賴于網(wǎng)格劃分的 好壞，對于曲率變化大的曲面，計算結果與理想軌跡間的誤差會加大。理論上來說，測地線的短程性意味著受力高效性;但由于自動鋪 絲的滿覆性要求以及具有實際寬度的絲束，實際復雜曲面的自動鋪絲 軌跡不可能處處都是測地線;根據(jù)國內(nèi)外做過的仿真和試驗來看，對 于復雜曲面來說，滿覆性要求往往不能完全達到，絲束局部空缺和疊 層的現(xiàn)象較為常見。仿真顯示，絲束空缺或疊層的缺陷減小了復合材 料部件32%的力學性能，然而試驗表明實際部件的力學性能只減小了 7%12%，這是由于部分間隙和疊層缺陷在固化過程中自動進行了消 除。Yvan Blanchard針對復合材料自動鋪絲的軌跡設計提出了五個關 鍵約束

7、，見圖1。一般來說，軌跡生成常采用測地線算法和固定角度算法，但在復 雜曲面中有時會出現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)用測地線算法較合適，而該區(qū)域外 的另一區(qū)域用固定角度算法較合適;這種情況下，設計者應選取其中 一種方法，不可結合兩種算法進行軌跡設計。由于實際鋪放時纖維在某些點上的方向與理論上的軌跡方向有 偏差，必須設置最大偏離角度，使設計的軌跡滿足該約束。因為實際 絲束有一定寬度，在轉(zhuǎn)彎半徑較小的時候很可能出現(xiàn)絲束褶皺和屈曲; 該種缺陷不會在固化過程消除，且會對后面的鋪層造成不良影響，最 終導致成型質(zhì)量差，力學性能下降。我在此通過軌跡上任一數(shù)據(jù)點的 切矢與曲面在該點的法向量的叉乘得到一矢量，記做e，用e的變化

8、率來表征該軌跡實際鋪絲時在每處的轉(zhuǎn)彎半徑大?。篹變化率越大， 則轉(zhuǎn)彎半徑越小。我們應當根據(jù)絲束最小寬度而設置出最小轉(zhuǎn)彎半徑 的限制。很多時候，絲束都會不可避免會彎，為此，工程中常常通過 控制其他參數(shù)例如壓輥的壓力、材料厚度、鋪絲速度和加熱溫度等來 減小絲束轉(zhuǎn)彎帶來的缺陷。尤其在e變化率大的地方，應使用更窄的 絲束，鋪絲速度也應比正常情況減慢，以充分滾壓，防止絲束明顯褶 皺和屈曲。正如之前提過局部絲束空缺和重疊的缺陷，其表象上為鋪絲面出 現(xiàn)“三角區(qū)”，缺陷往往在固化過程中能一定程度地自我消除。分區(qū)作 為鋪絲軌跡設計中一個常采用的措施，它即限制了鋪絲軌跡設計，可 解除一些鋪絲軌跡的約束。分區(qū)意味著

9、每個區(qū)域都有自己的軌跡線， 使原本無法滿足“三角區(qū)”約束的軌跡，在適當分區(qū)后也能滿足約束條 件;為此需要確定約束條件：對整個鋪層而言，空隙和重疊缺陷的分 布不應集中在富脂區(qū)、不應在與其它部件的接觸面及接觸面以下的部 分出現(xiàn)空隙和重疊;“三角區(qū)”里空隙的最大寬度限制;主要受力區(qū) 域中的空隙率限制。不同區(qū)域間材料的不連續(xù)是分區(qū)帶來的新問題，我們應當根據(jù)實 際約束條件慎重分區(qū)，通過成型件的力學性能對比試驗來取舍是否以 及如何分區(qū)，并可通過數(shù)據(jù)結果，進行理論分析，指導以后的分區(qū)設 計。1.2國外先進鋪絲軌跡控制手段國外先進的軌跡控制手段，包括德國航天中心研發(fā)使用的實時質(zhì) 量保證系統(tǒng)以及美國NASA正在

10、試驗的基于熱成像的快速缺陷檢測 技術，這兩種方法非常前沿，為解決自動鋪絲過程出現(xiàn)的問題提供了 新的思路。德國航天中心研制了一套質(zhì)量保證系統(tǒng)(quality assurance system，QA)集成于自動鋪絲機以提高鋪絲質(zhì)量。該系統(tǒng)的特點是在 線、實時;傳統(tǒng)的自動鋪絲是提前設置好鋪絲頭的運動軌跡，難以有效 確保精度和質(zhì)量，而該系統(tǒng)利用光學技術捕捉到絲束邊界以精確地檢 測鋪絲軌跡(圖2為光學檢測設備)，之后通過在線控制系統(tǒng)智能地 進行軌跡調(diào)整或參數(shù)變化;顯然該方法能有效防止鋪絲過程中出現(xiàn)的 可控性缺陷，如絲束空隙、重疊等。該方法的優(yōu)勢不僅在于能夠?qū)崟r 修正軌跡確保鋪絲質(zhì)量，更多是其思想完全不同

11、于傳統(tǒng)的預先軌跡規(guī) 劃;實時控制意味著它能結合計算機智能手段，使鋪絲效率和精度進 一步提高。在線實時的思想很可能指導今后我國自動鋪絲技術的發(fā)展 方向。由于不同種類缺陷部位的熱傳導規(guī)律不同，美國NASA利用該特 點提出了基于熱學快速檢測缺陷的手段，并通過了可行性驗證。圖3 展示了自動鋪絲過程中的三種典型缺陷在熱學檢測下的特點。該方法的確能夠快速檢測出缺陷，但由于鋪絲設備需外加熱相機、 加熱燈以及支架軌道等裝置，相機的運動軌跡大大受限，一些部位的 缺陷檢測十分困難;另外一個缺點就是隨著鋪層數(shù)增多，傳熱規(guī)律將變得更加復雜，很難判斷是否缺陷或是哪一種類型的缺陷。所以該方 法用來檢測板形構件的前幾層缺陷

12、可能會有好的效果。2自動鋪絲材料2.1材料的基本要求自動鋪絲技術材料體系囊括了應用于航空界的多種預浸料，如碳 纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等增強樹脂基預浸料。材料是除軌跡設計 外另一個影響自動鋪絲制件質(zhì)量的因素，材料的選擇與構件的性能直 接相關。國外自動鋪絲技術一直以來劃分了鋪絲設備和鋪絲材料兩大 方向。鋪絲設備的發(fā)展及使用必須考慮鋪絲材料的適應性。自動鋪絲 材料與傳統(tǒng)手工鋪放材料相似;同樣分為干態(tài)纖維和預浸料，制備預 浸料階段確定材料的固化單層厚度、單位面積纖維質(zhì)量等參數(shù)。但自 動鋪絲技術對材料多了三個具體要求：2.1.1材料的設計適應性自動鋪絲材料須根據(jù)不同制件具備相應屬性以滿足軌跡設計要 求

13、，如最大轉(zhuǎn)彎半徑、最大變形角度、材料的寬度精度等必、須保證工 藝性要求如制件局部加厚、加筋、開口補強等。2.1.2材料的結構特殊性自動鋪絲選用不同于手工鋪設的窄帶，一般稱為預浸絲束，國際 通用寬度有1/8英寸、1/4英寸、1/2英寸。應根據(jù)相應地鋪絲設備 選取不同結構形態(tài)（厚度、寬度）的材料。2.1.3材料的物理特性重要的物理特性有預浸絲束的樹脂含量控制精度、寬度精確度、 黏性、剛性等。預浸料優(yōu)良的浸透性才能保證樹脂含量精確度，同時 預防材料分切時產(chǎn)生的毛邊等缺陷;寬度精確度以減小絲束可避免性 空缺和重疊的可能;適當?shù)酿ば员ＷC鋪層間的貼合;剛性是為滿足鋪絲 機自動化傳輸絲束的要求;我們應考慮自

14、動鋪絲的特點以確定使用預 浸絲束的屬性。2.2材料的鋪放工藝及缺陷自動鋪絲過程中產(chǎn)生的缺陷往往不可單一地歸咎于軌跡設計或 是材料，軌跡與材料大致上是相互制約的關系，與材料使用直接相關 的鋪放工藝也將影響成型質(zhì)量。這一小節(jié)將概括固定軌跡的條件下， 材料及鋪放工藝與缺陷的關系。黏性是預浸料的物理屬性，一般是指其粘合能力。自動鋪絲預浸 料對黏性的要求為黏性不能過大，以防預浸料難以剝離襯紙；黏性不 能過小，以防預浸料無法粘合產(chǎn)生滑移現(xiàn)場。理想的自動鋪絲預浸料 在較低溫度下保持低黏性，在一定溫度下具有高黏性。黏性更高的預 浸料在轉(zhuǎn)彎區(qū)會一定程度上減小褶皺、滑移的現(xiàn)象;在鋪設有凹面的 筒狀構件時，例如進氣

15、道，由于凹面會有大約四分之一的時間朝向地 面，在重力的影響下如果黏性不夠，已經(jīng)在凹面區(qū)域鋪好的預浸料很 可能會脫粘，最終影響成型質(zhì)量?？紫稙閺筒某尚蜁r的常見缺陷，由氣泡形成，輿復合材料的性能 直接相關。產(chǎn)生孔隙的原因一般為固化壓力不夠、成型工藝不合理等。 氣泡的產(chǎn)生取決于樹脂壓力，當樹脂壓力大于一定值后便不會產(chǎn)生氣 泡，樹脂壓力小于一定值后，氣泡生成并生長。樹脂黏度是用來表征 樹脂流動性大小的參數(shù)。樹脂壓力與外壓、溫度和樹脂黏度有函數(shù)關 系。外壓越大，樹脂壓力越大，但實際工藝不可能無限提高外壓，這 樣對設備有更嚴苛的要求，也將帶來新的工藝問題。溫度和黏度的函 數(shù)關系為溫度越高，黏度越小;為了較緊密粘合，接觸時間長一點為好， 即降低鋪絲速度，但不可大幅降低速度，以免鋪絲效率低下。綜上所 述，材料樹脂的黏度和黏性、鋪放工藝參數(shù)中的加熱溫度和鋪絲速度 應當根據(jù)實際情況，在滿足能控制鋪絲缺陷的前提下進行選擇。3結語目前我國的自動鋪絲技術還在探索階段，有很多問題亟待解決， 所以并未廣泛運用于工業(yè)制造。對于該技術而言，軌跡設計、材料選 擇是關鍵問題，軌跡的設計要求主要包括：方向性、可鋪放性、滿覆 性和經(jīng)濟性;測地線算法和固定角度算法為最常用的方法，但對于復 雜曲面構件來說，單純地使用某一種軌跡設計方法常常無法滿足力學 性能設計