航空工程应用中自动铺丝轨迹与材料综述

1、航空工程应用中自动铺丝轨迹与材料综述自动铺丝(Automated Fiber Placement, AFP)技术的全称是自 动丝束铺放成形技术，也称为纤维铺放技术(Fiber Placement)。该技 术是20世纪70年代作为对纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展 起来的全自动复合材料加工技术，也是近年来发展最快、效率最高的 复合材料自动化成型制造技术之一;通过精确控制工艺参数和技术指 标，大幅提高了复合材料结构件的可靠性和稳定性，最终目的是代替 传统的手工铺放，更加高效精准地完成复材制造任务。1自动铺丝轨迹区别于传统手工铺叠，自动铺丝技术由于使用窄带，其轨迹更加 灵活可控，能满足对复杂结构外

2、形的铺放;与此同时，控制缺陷的需求 一定程度上限制了轨迹的灵活性。在此我将围绕自动铺丝轨迹问题展 开描述和讨论。1.1轨迹设计与缺陷轨迹设计的任务是针对材复结构的几何形状、铺层方向和成型精 度要求并考虑铺放设备的加工参数，合理规划、设计出制造该结构的 纤维铺放轨迹，以使最终成型的结构制件满足设计要求。党旭丹、肖军等提出基于测地线的平行等距轨迹规划方法，将已 知的曲面上参考线等弧长离散，找到垂直于参考线切矢和曲面法矢的 测地线，使参考线等距偏移从而有效地解决了等距轨迹设计的问题。 由此方法引出了其他一系列疑问，例如面对形状差别巨大的曲面，如 何给出合适参考线：在转弯半径小的区域，等距铺放意味着会

3、出现褶 皱翘曲，应该如何解决。首先，复合材料的铺层设计一般需要满足以 下原则：铺层定向原则：尽量按常规角度铺设，铺设方向尽量少以此避 免设计制造的复杂性;铺层取向按承载选取原则：根据主受力方向 以及其他受力情况考虑选取方法;均衡对称铺设原则：为了防止应 力耦合导致固化后的变形;铺层最小比例原则：09045中任意一 角度的铺层比例应大于6%10%;铺设顺序原则：为了减小分层的概 率，纤维铺设方向连续相同的铺层数量最多不能超过4,必须用其他 方向铺层隔开来降低层间应力;冲击载荷区设计原则：对于冲击载 荷设计时，为了承受冲击载荷，应该有足够的0层，为了使载荷扩散， 还应有一定的士 45层。目前还没有

4、普适性的铺设角度定义方法，对于复杂曲面来说，铺 设角度的定义是难点，往往是针对当前部件外形进行分析和定义。适用于管状结构的铺丝轨迹算法：设立一条管状曲面上轴向的线， 大致均匀地分段求出垂直于该轴线的平面，平面与管状曲面的环向交 线便是控制母线，利用控制母线进行角度的定义和轨迹设计。S型进 气道作为典型的不规则管状结构，其外形凹凸不平，对轨迹设计要求 极高。该母线控制法能较好地解决一般类圆截面管状曲面的轨迹设计， 但对于方形截面、表面曲率大的管状结构，无法设计出高质量的轨迹。用微分几何法建立特征投影曲线的微分方程，以数值方法获得数 据点，利用三次b样条曲线设置路径，并且成功验证。该方法不需要 依

5、赖计算测地线，而是预先设置空间中曲线，离散曲线获得数据点， 将这些数据点作为控制点进行三次B样条插值垂直投影在曲面上形 成轨迹，优点就是较为灵活，理论上可进行任意角度的铺放，由于垂 直投影性，还兼顾了铺丝头的运动轨迹。其缺点在于加大了设计难度， 因为空间曲线难以确定合适的参数以保证曲面轨迹线的质量。基于网 格曲面化的固定角度算法和基于网格曲面化的测地线算法，该方法将 曲面“微分”成细小的三角平面，每个三角平面的法向量近似作为该三 角平面内点的法向量，即易得到法向量;曲线也将在网格化的曲面中 “微分”成很多个短的线段，线段的方向向量易获得。由此可见，网格 化的曲面求解轨迹的思路非常简单，但精确度

6、及其依赖于网格划分的 好坏，对于曲率变化大的曲面，计算结果与理想轨迹间的误差会加大。理论上来说，测地线的短程性意味着受力高效性;但由于自动铺 丝的满覆性要求以及具有实际宽度的丝束，实际复杂曲面的自动铺丝 轨迹不可能处处都是测地线;根据国内外做过的仿真和试验来看，对 于复杂曲面来说，满覆性要求往往不能完全达到，丝束局部空缺和叠 层的现象较为常见。仿真显示，丝束空缺或叠层的缺陷减小了复合材 料部件32%的力学性能，然而试验表明实际部件的力学性能只减小了 7%12%，这是由于部分间隙和叠层缺陷在固化过程中自动进行了消 除。Yvan Blanchard针对复合材料自动铺丝的轨迹设计提出了五个关 键约束

7、，见图1。一般来说，轨迹生成常采用测地线算法和固定角度算法，但在复 杂曲面中有时会出现在一个区域内用测地线算法较合适，而该区域外 的另一区域用固定角度算法较合适;这种情况下，设计者应选取其中 一种方法，不可结合两种算法进行轨迹设计。由于实际铺放时纤维在某些点上的方向与理论上的轨迹方向有 偏差，必须设置最大偏离角度，使设计的轨迹满足该约束。因为实际 丝束有一定宽度，在转弯半径较小的时候很可能出现丝束褶皱和屈曲; 该种缺陷不会在固化过程消除，且会对后面的铺层造成不良影响，最 终导致成型质量差，力学性能下降。我在此通过轨迹上任一数据点的 切矢与曲面在该点的法向量的叉乘得到一矢量，记做e，用e的变化

8、率来表征该轨迹实际铺丝时在每处的转弯半径大小：e变化率越大， 则转弯半径越小。我们应当根据丝束最小宽度而设置出最小转弯半径 的限制。很多时候，丝束都会不可避免会弯，为此，工程中常常通过 控制其他参数例如压辊的压力、材料厚度、铺丝速度和加热温度等来 减小丝束转弯带来的缺陷。尤其在e变化率大的地方，应使用更窄的 丝束，铺丝速度也应比正常情况减慢，以充分滚压，防止丝束明显褶 皱和屈曲。正如之前提过局部丝束空缺和重叠的缺陷，其表象上为铺丝面出 现“三角区”，缺陷往往在固化过程中能一定程度地自我消除。分区作 为铺丝轨迹设计中一个常采用的措施，它即限制了铺丝轨迹设计，可 解除一些铺丝轨迹的约束。分区意味着

9、每个区域都有自己的轨迹线， 使原本无法满足“三角区”约束的轨迹，在适当分区后也能满足约束条 件;为此需要确定约束条件：对整个铺层而言，空隙和重叠缺陷的分 布不应集中在富脂区、不应在与其它部件的接触面及接触面以下的部 分出现空隙和重叠;“三角区”里空隙的最大宽度限制;主要受力区 域中的空隙率限制。不同区域间材料的不连续是分区带来的新问题，我们应当根据实 际约束条件慎重分区，通过成型件的力学性能对比试验来取舍是否以 及如何分区，并可通过数据结果，进行理论分析，指导以后的分区设 计。1.2国外先进铺丝轨迹控制手段国外先进的轨迹控制手段，包括德国航天中心研发使用的实时质 量保证系统以及美国NASA正在

10、试验的基于热成像的快速缺陷检测 技术，这两种方法非常前沿，为解决自动铺丝过程出现的问题提供了 新的思路。德国航天中心研制了一套质量保证系统(quality assurance system，QA)集成于自动铺丝机以提高铺丝质量。该系统的特点是在 线、实时;传统的自动铺丝是提前设置好铺丝头的运动轨迹，难以有效 确保精度和质量，而该系统利用光学技术捕捉到丝束边界以精确地检 测铺丝轨迹(图2为光学检测设备)，之后通过在线控制系统智能地 进行轨迹调整或参数变化;显然该方法能有效防止铺丝过程中出现的 可控性缺陷，如丝束空隙、重叠等。该方法的优势不仅在于能够实时 修正轨迹确保铺丝质量，更多是其思想完全不同

11、于传统的预先轨迹规 划;实时控制意味着它能结合计算机智能手段，使铺丝效率和精度进 一步提高。在线实时的思想很可能指导今后我国自动铺丝技术的发展 方向。由于不同种类缺陷部位的热传导规律不同，美国NASA利用该特 点提出了基于热学快速检测缺陷的手段，并通过了可行性验证。图3 展示了自动铺丝过程中的三种典型缺陷在热学检测下的特点。该方法的确能够快速检测出缺陷，但由于铺丝设备需外加热相机、 加热灯以及支架轨道等装置，相机的运动轨迹大大受限，一些部位的 缺陷检测十分困难;另外一个缺点就是随着铺层数增多，传热规律将变得更加复杂，很难判断是否缺陷或是哪一种类型的缺陷。所以该方 法用来检测板形构件的前几层缺陷

12、可能会有好的效果。2自动铺丝材料2.1材料的基本要求自动铺丝技术材料体系囊括了应用于航空界的多种预浸料，如碳 纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等增强树脂基预浸料。材料是除轨迹设计 外另一个影响自动铺丝制件质量的因素，材料的选择与构件的性能直 接相关。国外自动铺丝技术一直以来划分了铺丝设备和铺丝材料两大 方向。铺丝设备的发展及使用必须考虑铺丝材料的适应性。自动铺丝 材料与传统手工铺放材料相似;同样分为干态纤维和预浸料，制备预 浸料阶段确定材料的固化单层厚度、单位面积纤维质量等参数。但自 动铺丝技术对材料多了三个具体要求：2.1.1材料的设计适应性自动铺丝材料须根据不同制件具备相应属性以满足轨迹设计要 求

13、，如最大转弯半径、最大变形角度、材料的宽度精度等必、须保证工 艺性要求如制件局部加厚、加筋、开口补强等。2.1.2材料的结构特殊性自动铺丝选用不同于手工铺设的窄带，一般称为预浸丝束，国际 通用宽度有1/8英寸、1/4英寸、1/2英寸。应根据相应地铺丝设备 选取不同结构形态（厚度、宽度）的材料。2.1.3材料的物理特性重要的物理特性有预浸丝束的树脂含量控制精度、宽度精确度、 黏性、刚性等。预浸料优良的浸透性才能保证树脂含量精确度，同时 预防材料分切时产生的毛边等缺陷;宽度精确度以减小丝束可避免性 空缺和重叠的可能;适当的黏性保证铺层间的贴合;刚性是为满足铺丝 机自动化传输丝束的要求;我们应考虑自

14、动铺丝的特点以确定使用预 浸丝束的属性。2.2材料的铺放工艺及缺陷自动铺丝过程中产生的缺陷往往不可单一地归咎于轨迹设计或 是材料，轨迹与材料大致上是相互制约的关系，与材料使用直接相关 的铺放工艺也将影响成型质量。这一小节将概括固定轨迹的条件下， 材料及铺放工艺与缺陷的关系。黏性是预浸料的物理属性，一般是指其粘合能力。自动铺丝预浸 料对黏性的要求为黏性不能过大，以防预浸料难以剥离衬纸；黏性不 能过小，以防预浸料无法粘合产生滑移现场。理想的自动铺丝预浸料 在较低温度下保持低黏性，在一定温度下具有高黏性。黏性更高的预 浸料在转弯区会一定程度上减小褶皱、滑移的现象;在铺设有凹面的 筒状构件时，例如进气

15、道，由于凹面会有大约四分之一的时间朝向地 面，在重力的影响下如果黏性不够，已经在凹面区域铺好的预浸料很 可能会脱粘，最终影响成型质量。孔隙为复材成型时的常见缺陷，由气泡形成，舆复合材料的性能 直接相关。产生孔隙的原因一般为固化压力不够、成型工艺不合理等。 气泡的产生取决于树脂压力，当树脂压力大于一定值后便不会产生气 泡，树脂压力小于一定值后，气泡生成并生长。树脂黏度是用来表征 树脂流动性大小的参数。树脂压力与外压、温度和树脂黏度有函数关 系。外压越大，树脂压力越大，但实际工艺不可能无限提高外压，这 样对设备有更严苛的要求，也将带来新的工艺问题。温度和黏度的函 数关系为温度越高，黏度越小;为了较紧密粘合，接触时间长一点为好， 即降低铺丝速度，但不可大幅降低速度，以免铺丝效率低下。综上所 述，材料树脂的黏度和黏性、铺放工艺参数中的加热温度和铺丝速度 应当根据实际情况，在满足能控制铺丝缺陷的前提下进行选择。3结语目前我国的自动铺丝技术还在探索阶段，有很多问题亟待解决， 所以并未广泛运用于工业制造。对于该技术而言，轨迹设计、材料选 择是关键问题，轨迹的设计要求主要包括：方向性、可铺放性、满覆 性和经济性;测地线算法和固定角度算法为最常用的方法，但对于复 杂曲面构件来说，单纯地使用某一种轨迹设计方法常常无法满足力学 性能设计