基于自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)的復(fù)合材料進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

趙博偉，杜發(fā)喜，高原，賴輝

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092)

基于自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)的復(fù)合材料進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

趙博偉，杜發(fā)喜，高原，賴輝

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092)

某型號(hào)飛機(jī)采用S形進(jìn)氣道，形狀復(fù)雜，且對(duì)剛度、裝配、內(nèi)表面質(zhì)量及重量要求很高，需要設(shè)計(jì)一個(gè)滿足所需的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)。采用復(fù)合材料整體成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)，詳細(xì)敘述進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制方案及實(shí)施方法，并對(duì)其進(jìn)行有限元理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求；自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)可以有效應(yīng)用于變截面S形進(jìn)氣道研制。研究結(jié)果可對(duì)研制其他復(fù)雜形狀飛機(jī)進(jìn)氣道提供依據(jù)。

S形進(jìn)氣道；復(fù)合材料；自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

某型號(hào)飛機(jī)進(jìn)氣道采用基于自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)的復(fù)合材料整體成型方案。該技術(shù)在國(guó)外始于20世紀(jì)60年代[1]，在美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的支持下起步，后經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面支持迅速發(fā)展[2]。目前，自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪絲機(jī)、各種預(yù)浸帶/紗已經(jīng)形成系列產(chǎn)品供應(yīng)，廣泛應(yīng)用于多種航空航天器的樹脂基復(fù)合材料成型制造[3]。由于自動(dòng)鋪絲技術(shù)采用的材料體系成熟度高，設(shè)計(jì)成型方法繼承性好，易于數(shù)字化和自動(dòng)化制造[4]，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家飛機(jī)復(fù)合材料大型復(fù)雜構(gòu)建件的主要成型方法，獲得了廣泛的應(yīng)用，并且在具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)復(fù)合材料整體成型的制造中具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是該技術(shù)受到發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)的嚴(yán)密封鎖，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚屬空白，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到試驗(yàn)進(jìn)行一系列的驗(yàn)證。

絲束鋪放技術(shù)是多軸聯(lián)動(dòng)的鋪絲頭進(jìn)行傳送，通過切割、重啟、加熱及壓實(shí)等功能將不同數(shù)量的纖維窄帶在壓輥下集束成帶，并按照程序設(shè)定的路徑鋪疊在模具上，制成零件的復(fù)合材料預(yù)成型體[5]。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)自動(dòng)鋪絲技術(shù)的研究主要集中在根據(jù)初始參考線在曲面上做等距平移進(jìn)行軌跡規(guī)劃和某一參考軸線成固定角度進(jìn)行軌跡規(guī)劃[6]。構(gòu)造合適的初始參考線，建立適當(dāng)?shù)那嫫揭品椒ê颓笕『线m的參考軸線并構(gòu)造曲面上與該參考軸線成固定角度的迭代格式成為了國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)[7]。邵冠軍等[8]設(shè)計(jì)了一種自由曲面復(fù)合材料構(gòu)建的纖維鋪絲規(guī)則算法，考慮到了適于開放曲面復(fù)合材料構(gòu)件的纖維鋪絲。林福建[9]則將零件表面離散為三角網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃，該方法要求零件完全封閉。安魯陵等[10]以封閉曲面類構(gòu)件為研究對(duì)象，提出了基于參考線的軌跡生成算法：通過以中心線的副法矢為方向得到等距點(diǎn)，根據(jù)這些等距點(diǎn)在曲面上的插值投影得到等距線，依據(jù)當(dāng)前鋪絲路徑上各點(diǎn)與等距線的距離關(guān)系，求得該鋪絲軌跡上各點(diǎn)處的絲束信息，完成自動(dòng)鋪絲的覆蓋性分析。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)的需求日益強(qiáng)烈[11-12]。

本文以S形變截面進(jìn)氣道為例，采用建立參考軸線及與其成固定角度的軌跡規(guī)劃的自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)鋪絲硬件設(shè)備，研究進(jìn)氣道的自動(dòng)化鋪絲成型工藝，并進(jìn)行力學(xué)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，以期對(duì)飛機(jī)型號(hào)復(fù)雜形狀進(jìn)氣道的研制提供一定的借鑒。

1 設(shè)計(jì)方案

進(jìn)氣道筒體采用復(fù)合材料絲束鋪放整體成型，因進(jìn)氣道對(duì)剛度要求高，在進(jìn)氣道上布置3根環(huán)狀加強(qiáng)筋條增加剛度，加強(qiáng)筋采用泡沫夾芯形式，將泡沫分段加工成型后用膠膜粘接到進(jìn)氣道筒體上，再將碳布鋪疊上泡沫上固化成型。

進(jìn)氣道剖面圖如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣道剖面圖

S形進(jìn)氣道鋪絲方向由鋪絲角(鋪絲基準(zhǔn)與鋪絲方向之間的夾角)參數(shù)φ表達(dá)，該參數(shù)以滿足剛度要求為設(shè)計(jì)目標(biāo)，作強(qiáng)度校核。根據(jù)理論計(jì)算及工程實(shí)際，進(jìn)氣道鋪層角度為[45°/-45°/0°/65°/-65°/0°]s。

確定軌跡規(guī)劃，首先取一條參考線為基準(zhǔn)，并以該參考線固定角度進(jìn)行迭代運(yùn)算求解軌跡線[13]，本文采用芯模兩端封閉平面的兩個(gè)幾何形心生成的直線，作中心線X進(jìn)行參考，中心線X能夠代表一定的加工特性，方便機(jī)器控制代碼的生成，減少鋪絲頭的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。基本方法如下：

詳細(xì)的鋪絲方法如圖2所示。

根據(jù)以上方法，利用自動(dòng)絲束鋪放設(shè)備進(jìn)行后續(xù)加工。

自動(dòng)絲束鋪放[14-15]設(shè)備具備8絲束3mm寬預(yù)浸絲束獨(dú)立控制能力，鋪絲軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件可讀取CATIA、UG等模型文件，具備單層及多層鋪絲軌跡生成與仿真、NC代碼自動(dòng)生成與后處理、鋪層集成仿真等功能。絲束鋪放過程主要包括適合于鋪放設(shè)備的專用鋪絲模具的設(shè)計(jì)及加工制造、專用模具與鋪放設(shè)備的匹配及調(diào)整、軌跡規(guī)劃與測(cè)試等方面。進(jìn)氣道模具設(shè)計(jì)圖如圖3(a)所示，進(jìn)氣道模具實(shí)物如圖3(b)所示。

(b) 實(shí)物圖

進(jìn)氣道絲束鋪放過程如圖4所示，完畢后，將完全封裝的進(jìn)氣道預(yù)成型體及其隨爐件在熱壓罐中，按照材料標(biāo)準(zhǔn)固化工藝固化成型。

圖4 絲束鋪放過程圖

2 分析驗(yàn)證

為了保證進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)能夠滿足在飛機(jī)上的應(yīng)用，故對(duì)其靜力性能進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

理論分析采用有限元方法，將進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)劃為二維層合殼單元，賦予PCOMP單元屬性，筋條表面材料采用二維層合板殼單元，筋條內(nèi)部填充物為泡沫材料，采用三維實(shí)體(C3D8)單元。進(jìn)氣道上的網(wǎng)格總數(shù)為36 800個(gè)，進(jìn)氣道有限元模型如圖5所示。

圖5 進(jìn)氣道有限元模型

進(jìn)氣道邊界條件設(shè)置為進(jìn)氣道兩端固支，取吸力載荷-22 400Pa進(jìn)行有限元分析，安全系數(shù)為1.3。得到應(yīng)力云圖如圖6(a)所示，最大應(yīng)力為148.6MPa，位移云圖如圖6(b)所示，最大位移為1.827mm，滿足工況下的靜力要求。

(a) 應(yīng)力圖

(b) 位移圖

對(duì)比有限元方法，將基于上文軌跡規(guī)劃方法的自動(dòng)鋪絲成型進(jìn)氣道實(shí)體結(jié)構(gòu)按照要求作強(qiáng)度試驗(yàn)作相應(yīng)驗(yàn)證。試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及實(shí)物圖如圖7所示。在吸力載荷-22 400Pa下，各測(cè)點(diǎn)位移模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比如圖8(a)所示，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1上0°應(yīng)變對(duì)比如圖8(b)所示。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合情況良好，工況卸載后，進(jìn)氣道能恢復(fù)初始狀態(tài)，未出現(xiàn)有害變形、損傷、裂紋及破壞。滿足靜力要求，初步滿足裝機(jī)要求。

(a) 設(shè)計(jì)圖

(b) 實(shí)物圖

(a) 各測(cè)點(diǎn)位移模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比

(b) 測(cè)點(diǎn)1上0°應(yīng)變對(duì)比

3 結(jié) 論

本文將絲束鋪放技術(shù)應(yīng)用于S形進(jìn)氣道研制，采用鋪絲軌跡規(guī)劃，結(jié)合自動(dòng)絲束鋪放硬件設(shè)備，測(cè)試了真實(shí)鋪放效果，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣道的自動(dòng)化鋪絲工藝成型，相比傳統(tǒng)金屬成型工藝，解決了內(nèi)型面精度差、重量大、操作空間差等工程問題；對(duì)比復(fù)合材料成型的手工鋪疊工藝，解決了復(fù)雜曲面零件制造過程中容易出現(xiàn)褶皺、分層、鋪層方向難保證及脫模困難等工程問題。

本文通過有限元方法分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求，同時(shí)通過其他試驗(yàn)驗(yàn)證后，現(xiàn)已成功應(yīng)用，證明自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)應(yīng)用于變截面S形進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的有效性。以本文研究立足，有望打破歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在高檔、精密和敏感復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)的封鎖。對(duì)其他飛機(jī)型號(hào)復(fù)雜形狀進(jìn)氣道的研制具有一定的借鑒意義。

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(編輯：趙毓梅)

Design and Experimental Verification of Composite Material Inlet Structure Based on Automatic Tow Laying Technology

Zhao Bowei, Du Faxi, Gao Yuan, Lai Hui

(Technical Center, AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Chengdu 610092, China)

In a certain aircraft S-shaped inlet is used, which is of complex shape and high demands on the rigidity, assembly, inner surface quality and weight. It is needed to design such an inlet structure which meets all the demands. The inlet is designed by using the composites whole shaping and automatic tow laying technology. The development of the program and implementation methods are described in detail. It is made by finite element analysis and experimental verification. The results showed that the inlet structure meets the strength and stiffness requirements. Automatic tow laying technology can be effectively applied to variable cross section S-shaped inlet development. The results of the study could provides the basis for the development of other complex shape aircraft inlet.

S-shaped inlet; composite material; automatic tow laying technology; structural design

2017-04-11；

2017-05-14

趙博偉,317822246@qq.com

1674-8190(2017)03-349-05

V

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.03.016

趙博偉(1990-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：復(fù)材與附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

杜發(fā)喜(1976-)，男，本科，高級(jí)工程師。主要研究方向：機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

高 原(1988-)，男，本科，工程師。主要研究方向：機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

賴 輝(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：復(fù)材與附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。