【复合材料缠绕成型技术发展研究的国内外文献综述6500字】

复合材料缠绕成型技术发展研究的国内外文献综述在树脂基复合材料成型工艺中，纤维缠绕技术是最早开发且广泛使用的最成熟的工艺技术[35]。经过半个多世纪的发展，缠绕技术在火箭及导弹等尖端装备领域发挥了越来越重要的作用，并以高效稳定制造各种压力管道、气体储罐、储能飞轮和体育用品等产品广泛应用于民用行业[35,50]。纤维缠绕成型技术早期的纤维缠绕技术如图1-4所示，在控制纤维张力和预定线型的条件下，连续纤维粗纱或布带通过纤维分离器和夹辊的控制均匀浸渍树脂，通过绕丝装置和缠绕小车的相对运动后缠绕到一定形状的芯模或内衬上，经过固化脱模制成一定形状的最终制品[50]。图1-4纤维缠绕成型工艺原理图纤维缠绕成型易于实现高比强度制品的成型，实现制品的等强度设计。同时容易实现机械化和自动化制造，制造成本低，制造质量高且稳定，便于耐腐蚀管道和耐高压容器的大批量生产[51]。虽然缠绕技术优势明显，但在生产实践中也存在一定的局限性。在缠绕过程中，气泡的存在使制品内部易产生孔隙，降低了制品的层间剪切强度和抗失稳能力；因连接需要进行的切割、钻孔或开槽等都会降低缠绕结构的强度。同时，缠绕成型并不适合于有凹陷形式的曲面制造，对非回转体和负曲率回转体制品的缠绕设备和控制策略都异常复杂[35]。根据成型时树脂基体的物理化学状态不同，纤维缠绕可分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种[52]。其中湿法缠绕工艺设备比较简单，对原材料的要求不是很严格，应用最为普遍；而干法缠绕需要的纱片缠绕时每束已浸渍树脂的纤维束被张紧成连续均匀的薄片需要经过预浸、烘干和络纱，所需要的设备更复杂，因此仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。缠绕规律是指绕丝装置头与缠绕芯模之间的相对运动规律，为了设计合理的工艺使纤维均匀稳定的有规律地缠绕在芯模上，按缠绕规律设计可以保证纤维成型过程中不重叠也不留缝[6]。按适用条件的不同，缠绕规律主要可以归纳为三种，环向缠绕(图1-5a)、纵向缠绕(图1-5b)和螺旋缠绕(图1-5c)[2]。环向缠绕时，绕丝装置在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动，芯模转一周导丝头移动一个纱片的宽度，但是这种缠绕方式只能缠绕筒身段而不能缠绕封头的曲面段，相邻纱片相接而不重叠，缠绕角通常在85°~90°之间。纵向缠绕时，芯模绕自身的轴线匀速旋转，导丝头在固定的平面内做匀速圆周运动，导丝头每转一周，芯模转动一个微小的角度，相当于芯模表面一个纱片的宽度，各纱线均与极孔相切，缠绕角一般小于25°。螺旋缠绕也叫测地线缠绕，纤维从芯模一端的极孔圆周上一点出发，按螺旋线轨迹绕过筒身段后进入另一端封头，每条纤维都对应极孔圆周上的一个切点，相同方向的临近纱片相接而不重叠，而不同方向的纱片相交，缠绕角通常是12°~70°。三种缠绕方式中，由于其缠绕角可控且受壳体尺寸影响较小，螺旋缠绕得到了比较广泛的应用。在实际生产过程中，制品采用什么方式缠绕，一般由制品结构形状、强度要求、载荷特性和使用环境综合考虑决定[6]。图1-5纤维缠绕成型的三种主要方式预浸带缠绕成型过程为进一步提高纤维缠绕的效率并保证制品质量稳定，1990年美国通用动力公司将纤维丝束的浸胶过程从缠绕工艺中独立出来，预制成了带宽、带厚和含胶量都能保证一定的严格要求的预浸带，用此预浸带进行带缠绕成型在保证制品的力学性能的同时使得工作环境较为清洁[53]。但由于增加了独立浸胶、剪裁保存等相应的工艺过程和成本，预浸带带缠绕成型的应用范围较纤维缠绕而言更具有局限性。复合材料预浸带缠绕成型过程如图1-6所示。带缠绕过程中，芯模以特定的速度匀速转动，通过一系列的辊轮和热压辊的导引，预浸带被连续的从带盘中牵引出并一层层的压实在芯模上，形成无褶皱、紧密贴合和均匀分布的缠绕制品。首先，压辊内部安装有电加热丝，预浸带在加热辊的热传递下被加热到合适的温度，并通过温度传感器实时调控。布带缠绕过程中，对预浸带进行加热有利于降低树脂粘度从而提高层间接触程度。同时，气缸对压辊施加压力使得加热后的布带紧密地缠绕到缠绕层的外层。压辊所提供的正压力有助于挤出层间接触界面间的气泡，减少孔隙率并提高层间的接触程度。带盘由小磁粉制动器控制，为预浸带提供一定的预紧力，以保证输送的平稳进行。大磁粉制动器结合粗糙的辊轮在缠绕过程中为预浸带提供所需的张力，张力传感器将实时监测张力值并反馈给控制系统以控制制动器工作。同时，为控制缠绕带的位置精度，灵敏的纠偏调整机构可以实时保持正确的缠绕轨迹。图1-6复合材料预浸带缠绕成型过程预浸带缠绕缠绕成型工艺中，影响缠绕制品质量的主要工艺参数有加热温度、布带张力、压辊压力和缠绕速度，其综合控制系统原理如图1-7所示。缠绕速度是预浸带缠绕上旋转芯模的线速度，决定了预浸带加热时间和胶带之间的加压融合时间，经制品工艺确定不同段的速度值后直接由缠绕程序给定，通过数控系统控制主轴电机经编码器反馈形成闭环控制系统。温度、张力和压力则由西门子PLC作为主站搭建的分布式控制系统进行统一管理和控制，相关的参数设置和监控在触摸屏上显示并通过以太网与PLC连接。同时，缠绕机的控制状态信号由I/O连接数控系统和PLC主站进行实时通信。温度、张力和压力采用电位器调节设定值，信号经数模转换器转换后通过RS485通讯线送入PLC主站，主站将数据处理后发送到温控表、压力表和张力表进行修改。预浸带加热温度由温控表SR93、电加热管和红外温度传感器形成闭环控制系统，升温速率可控制在5℃/min，精度达到±2℃。缠绕层加压方式采用压力表AL808控制比例减压阀作用于气缸实现，比例阀内置气压传感器，可接收控制信号并实时反馈信号。布带张力由张力表TC950、大小磁粉制动器和张力传感器形成闭环控制系统，响应时间低于0.6s，且稳态误差不超过2%。通过缠绕工艺参数控制系统，实现了工艺参数的统一控制管理，还能通过大容量储存装置对参数值的修改和实时测量进行保存和上传。图1-7预浸带缠绕成型工艺参数控制系统原理图对于航空发动机中的壳体或尾喷等零部件的生产，大多采用宽幅的纤维预浸带层叠缠绕制造，根据层叠方式的不同可以分为平行缠绕(图1-8a)、平叠缠绕(图1-8b)和斜缠绕(图1-8c)等三种形式[54]。预浸带平行缠绕与纤维环向缠绕相似，芯模转动一周，布带沿母线方向移动一个带宽的距离，但效率更高，过程更易控制，主要应用于圆柱管类零件的制造。平叠缠绕主要针对锥型的回转体类零件的缠绕加工，是目前航天发动机扩散段成型的主要方法。预浸带的宽度由制品的设计要求决定，芯模转动时布带的进给由模具的轮廓和布带的厚度给定，布带从模具的小端开始连续的环向层叠缠绕至大端，直至表面均匀布满纤维。斜缠绕借助锥套采用从芯模大端到小端斜向层叠缠绕的方式绕制制品，预浸带与模具轴线方向维持一定的缠绕角度，布带的宽度按照制品的设计要求剪裁，每转进给由芯模轮廓、布带厚度和缠绕角共同决定。斜缠绕可用于解决固体火箭发动机尾喷等关键部件在高温高速气流下的冲刷和侵蚀问题，具有可观的应用前景。图1-8复合材料预浸带缠绕成型三种形式预浸带缠绕成型相比于纤维缠绕来说，由于纤维带的浸胶过程独立完成，减少了因浸胶产生的设备污染和杂物带入，因此在缠绕过程中工艺更加稳定可控，生产环境更加整洁卫生。但由于预浸带缠绕也增加了设备成本，目前仅用于航空航天和军事武器等高端领域。缠绕成型设备的进展上个世纪40年代，纤维缠绕技术因美国发展导弹装备的需要而产生。1947年，美国Kellog公司成功研制了世界首台缠绕机，并利用纤维缠绕成型制造了第一台火箭发动机壳体[35]。这一时期产生的第一代缠绕机都是简单的机械控制设备，由电机拖动小车组成，其控制系统基本由皮带、齿轮、滑轮和链条等机构组成。为了改变缠绕角度，需要通过手动调整变速箱实现；而每当零件长度改变时，操作员必须通过缩短或加长链节来移动缠绕小车，以获得所需的精确卷绕长度[51]。到60年代中期，出现了更多采用液压伺服马达和数字量控制的第二代缠绕机，如美国Entec公司的800型和前西德JosefBear公司的WE-250型缠绕机。随着计算机数字控制技术(CNC)的发展，出现了第三代计算机控制纤维缠绕机。1973年，美国Entec公司开发了第一台微处理器控制的纤维缠绕机，使得缠绕进程可以按照程序设定的路径进行。1976年，美国McCleanAnderson取得了缠绕机控制专用微型计算机N-101和软件专利，成功开发出了第一个商业化标准的长丝缠绕机McCleanAnderson60，极大地提高了缠绕精度和生产速度[55]。九十年代开始，新一代计算机控制的纤维缠绕机得到快速发展，如英国Pultrex公司采用通过数控系统开发了四轴联动数控纤维缠绕机。国际上很多公司开始研究用计算机设计辅助进行缠绕，即缠绕CAD技术。采用用计算机辅助设计缠绕模式大大简化了缠绕模式的设计，从而减少了产品的开发和工艺设计周期。进入本世纪以来，缠绕机的功能更加完善，多主轴、多运动轴联动缠绕机逐渐成为发展方向，目前国际上已有7轴甚至多达11轴的计算机控制纤维缠绕机[35]。多运动轴缠绕机的引入使得缠绕复杂形状的产品成为可能，计算机控制的多轴轴联动纤维缠绕机，可以用于解决弯管、三通管等一般异型件的缠绕成型问题[56,57]。目前国际知名的缠绕机制造商主要有美国的工程技术公司ETC(前身为Entec公司)、McCleanAnderson公司、德国Roth复合材料机械公司(前身为BSD公司)、马其顿Mikrosam公司等[40]。图1-9展示了典型的复合材料纤维缠绕机，图1-9(a)中马其顿Mikrosam公司的多芯轴系列纤维缠绕机MAW20MS4/5专为高产量生产设计的，可实现同时最多5个芯轴的产品缠绕；图1-9(b)为美国ETC公司前身Entec生产的经典缠绕机型号FW750，可以提供精确、高速和高性价比的长丝缠绕，适用于压缩天然气罐的批量生产。ETC公司产品丰富分类详细，SS系列用于研发和教育用途，SM系列用于中型产品，CXG系列用于压力容器，SL和SL+系列为用于航空航天和石油天然气应用的大型缠绕机。图1-9国外经典复合材料纤维缠绕机计算机控制纤维缠绕机采用计算机控制伺服电机的转动，系统程序控制纤维的运动轨迹，还可以存储多种形状的零件缠绕程序，不仅缠绕精度和效率大幅度提高，同时缠绕机具有更好的柔性和灵活性[51]。随着缠绕硬件设备的成熟，制约高性能复材零部件生产的关键更多的集中在缠绕路径设计和模式选择上，为进一步实现缠绕设计自动化，缠绕成型计算机辅助设计制造一体化系统即纤维缠绕成型的CAD/CAM技术发展起来[35,58]。缠绕成型工艺结合CAD/CAM技术极大的缩短了纤维缠绕的开发周期，降低了劳动强度和废品率，提高了制品质量和生产柔性。CAD/CAM软件不仅具有完善的回转体纤维缠绕轨迹设计功能，还具有异型件纤维缠绕轨迹设计功能，对于三通、弯管等异型件，可采用已经开发完善的CAD/CAM软件进行芯模设计、线形规划及后置处理，并可根据具体的数控系统生成相应的控制代码[2,35]。美国Entec公司是计算机控制纤维缠绕机械的先驱，开发了世界上第一个缠绕纤维软件FiberGrafiX，该软件拥有直观的用户界面和许多可视化工具，提供了广泛的工具来创建和优化纤维路径和机器运动。目前成熟的商业化纤维缠绕CAD/CAM软件有比利时MATERIAL公司的CADWIND、美国McCleanAnderson公司的SimWind、法国Coriolis公司的CADFIBER、英国CrescentConsultants公司的CADFIL、马其顿Mikrosam公司的WindingExpert等。其中CADWIND软件完全图形可视化及界面友好，适用于两到六轴数控纤维缠绕机的控制，成为了当前世界上应用最为广泛的高级复合材料纤维缠绕仿真软件[35,59]。图1-10显示了CADWIND用于辅助纤维缠绕时的使用流程，软件使用计算机生成的参数化几何芯模或导入几何芯模，进行多种缠绕线型计算，配合具体缠绕机床自动生成缠绕程序，并实时进行机床运动仿真，可以优化机床运动，有效地防止缠绕过程的运动干涉。借助于缠绕CAD/CAM软件的优势，用户可以脱机进行三维动态的分析缠绕过程的线性畸变、纤维架空和堆积等问题，同时进行工艺参数的设计和优化工作，极大地加快了缠绕产品的开发速度和生产效率[60,61]。图1-10缠绕CAD/CAM经典软件CADWIND的使用流程。机器人因其自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点，越来越多的被用于纤维缠绕生产线的缠绕制品高效率生产，尤其能解决不对称结构和双凹面构件等复杂构件的缠绕成型。法国的MF-TECH公司最早研究机器人缠绕技术并将其商业化，公司研发的两个版本多轴机器人缠绕控制系统，Pitbull系统通过多轴机器人带动芯模在空间运动，适合容器类制品的加工，Fox系统使用机器人控制缠绕纤维的导丝嘴运动，可对管道、弯头等结构部件多个个芯模的同时缠绕加工[59,62]。英国CygnetTexkimp公司与曼彻斯特大学联合研发的机器人缠绕机3DWinder[63]，如图1-11(a)，基于曼彻斯特大学PrasadPotluri教授开发的九轴机器人缠绕概念，采用了快速长丝缠绕技术，能够制造燃油管、风机叶片、侧梁和飞机翼梁等复杂的部件。国内西北工业大学史耀耀教授团队长期致力于预浸带纤维缠绕成型技术，已经为航天科工和航天科技多个研究所及公司提供设备和技术支持，图1-11(b)为其自主研发的XGD预浸带缠绕/铺放机器人平台，可用于复材预浸带的平面或曲面铺放、回转体部件的平行、平叠或斜缠绕。哈尔滨理工大学许家忠教授团队研制的基于机器人纤维缠绕工作站[64]，开发了机器人末端扩展驱动轴及夹具，实现了适用于小型复杂形状制品的抓取芯模缠绕，及适用于大型制件的抓取导丝头缠绕两种缠绕模式。近年来，中国国内纤维缠绕技术的研究和应用已初具规模，但在复杂形状产品制造设备的研制、先进缠绕CAD/CAM软件包的开发和欧美发达国家差距还非常大[65]。图1-11典型的机器人辅助纤维缠绕机参考文献[1]益小苏,杜善义,张立同.复合材料手册[M].北京:化学工业出版社,2009.[2]张东兴,黄龙男.聚合物基复合材料科学与工程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2018:305-315.[3]成来飞,殷小玮,张立同.复合材料原理[M].西安：西北工业大学出版社,2016.[4]GayD.Compositematerials:designandapplications[M].BocaRaton,USA:CRCpress,2014.[5]BarberoEJ.Introductiontocompositematerialsdesign[M].BocaRaton,USA:CRCpress,2017.[6]邢丽英.先进树脂基复合材料自动化制造技术[M].北京:航空工业出版社,2014:206-242.[7]陈吉平,李岩,刘卫平,等.连续纤维增强热塑性树脂基复合材料自动铺放原位成型技术的航空发展现状[J].复合材料学报,2019,36(4):784-794.[8]保罗·戴维姆,PaulodavimJ,达温,等.复合材料加工技术[M].北京：国防工业出版社,2016.[9]ChawlaKK.Compositematerials:scienceandengineering[M].Berlin,Germany:SpringerScience&BusinessMedia,2012.[10]XuJL,ChenYW,WangRH,etal.Researchprogressinadvancedpolymermatrixcompositesforarmorprotectionsystems[C].UnitedKingdom:IOPPublishing,2020,1507(6):062011.[11]OshekuCA.Laminations-TheoryandApplications[M].IntechOpen,2018.[12]Varvani-FarahaniA.Compositematerials:characterization,fabricationandapplication-researchchallengesanddirections[J].AppliedCompositeMaterials,2010,17(2):63-67.[13]AboudiJ,ArnoldSM,BednarcykBA.Micromechanicsofcompositematerials:ageneralizedmultiscaleanalysisapproach[M].Butterworth-Heinemann,2013.[14]NagavallyRR.Compositematerials-history,types,fabricationtechniques,advantages,andapplications[C].Bengaluru,India:Proceedingsof29thIRFInternationalConference,2017,5(9):82-87.[15]DandekarCR,ShinYC.Modelingofmachiningofcompositematerials:areview[J].InternationalJournalofMachinetoolsandmanufacture,2012,57:102-121.[16]田彩姣.石墨烯柔性传感器传感特性及复合材料健康监测研究[D].沈阳航空航天大学,2018.[17]唐见茂.航天功能复合材料发展现状及趋势[J].航天器环境工程,2012,29(2):123-128.[18]邢丽英,蒋诗才,周正刚.先进树脂基复合材料制造技术进展[J].复合材料学报,2013,02:1-9.[19]刘洋,陈茂林,杨涓.固体火箭发动机复合材料基础及其设计方法[M].西安:西北工业大学出版社,2012.[20]程登临.复合材料结构与功能及在无人机领域的应用[J].当代化工研究,2019,1:125-127.[21]彭济华.不同树脂体系复合材料在航空航天领域的应用[J].当代化工研究,2019,000(002):138-140.[22]张君红.碳纤维增强树脂基复合材料的应用现状分析[J].建材与装饰,2019,000(030):63-64.[23]黄晓艳,刘波.战机用先进树脂基复合材料的应用现状[J].材料研究与应用2011,30(4):243-248.[24]李建利,赵帆,张元,等.碳纤维及其复合材料在军工领域的应用[J].合成纤维,2014,43(3):33-35.[25]罗益锋.碳纤维及其复合材料在主要应用领域的突破方向与技术进展[J].高科技纤维与应用,2019,44(6):1-12.[26]朱美芳,朱波.中国战略性新兴产业-新材料纤维复合材料[M].北京:中国铁道出版社,2017:201-204.[27]ToorZS.SpaceApplicationsofCompositeMaterials[J].JournalofSpaceTechnology,2018,08(1):65~70.[28]RajeshS,SureshG,MohanRC.AReviewonMaterialSelectionandFabricationofcompositeSolidrocketmotor