内容发布更新时间 : 2024/10/25 1:25:05星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

航天复合材料自动化成型技术研究现状

先进复合材料因其性能优异，在航空航天、舰船、交通运输、建筑、体育运动以及能源等行业领域得到广泛应用。因复合材料构件的结构形式、服役载荷和使用环境复杂，微小的缺陷经跨层次的蔓延生长可导致构件的失效，故其安全性和可靠性是其应用中首要考虑的内容[1]。为提高复合材料构件质量的可靠性和稳定性，减少人为因素的影响，复合材料成型自动化是复合材料成型技术发展的必然趋势。

复合材料自动化成型技术及应用

自1985年以来，自动化成型技术在复合材料制造业中的应用范围不断扩大，已经逐渐渗透到复合材料设计和制造的各个领域（缠绕成型、自动铺放成型、拉挤、编织、缝合和RTM等），在推动复合材料设计和制造技术发展、降低构件制造成本中的巨大作用已达成广泛共识[2]。复合材料成型自动化不仅提高了复合材料构件的生产效率，降低了生产成本，而且通过对成型工艺参数和技术指标的精确控制，可以极大地提高复合材料构件质量的可靠性和稳定性。复合材料自动化成型技术作为将结构设计、材料和制造连接一体的纽带和桥梁，将机械制造技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器技术、软件技术等多个学科技术引进到复合材料成型过程，尤其适合手工成型难以完成的大尺寸、超大尺寸以及复杂形面结构件的成型。

目前为止，国外复合材料自动化成型技术已经相当成熟。以自动铺放技术为例，已在多种航空航天器的各种结构件上得到应用，如航天载荷适配器、整流罩、燃料储箱、机翼、尾翼、垂尾、进气道、中央翼盒等[3-6]。

国内复合材料自动化成型技术发展较晚，航天材料及工艺研究所积极推动复合材料自动化成型技术在国内的应用与发展，在激光铺层定位、自动铺带、纤维缠绕、自动铺丝等技术的工程应用研究取得了阶段性进展，实现了多项自动化成型的工程应用。

航天复合材料自动化成型关键技术

1 自动下料与激光铺层定位技术

目前，手工铺层仍被广泛使用，尤其适合一些复杂型面的小型构件成型，甚至像B-2轰炸机及一些通用飞机的制造也采用了大量手工铺层工序[7]。如何通过数字化手段提高手工铺层的构件质量和劳动效率，充分发挥手工铺贴在蒙皮厚度调整、局部加强、金属加强片嵌入、加强筋增强以及蜂窝夹芯区等方面的技术优势，是手工铺层技术的研究热点。

航天材料及工艺研究将复合材料自动下料与激光铺层定位技术引进到复合材料手工成型过程中，通过对数控下料机、激光投影设备以及辅助设计制造软件的综合运用，实现了复合材料构件数字化辅助人工铺放。采用复合材料构件设计制造软件将构件的三维实体数模展开生成铺层排料的二维数据，生成复合材料构件各铺层的2D轮廓数据，并将轮廓信息输入至数控剪裁机进行自动下料，并借助激光定位系统在预先固定好的模具上显示铺层轮廓和轴线，保证在铺叠过程中的准确定位。

采用自动下料和激光铺层定位技术辅助进行手工铺层技术，下料准确度显著提高，降低了铺层取向误差，产品质量可以有效保证，可提高成型构件质量的稳定性，而且降低了劳动强度，提高手工成型的生产效率，对操作人员的技艺水平和施工经验要求显著下降。

2 自动铺带技术

随着复合材料构件在航空航天器上的大量应用，完全人工铺放和数字化辅助人工铺放缺点日益显露，要求铺层人员有很高的技艺和施工经验，手工铺贴费工费时，效率低、成本高，难以适应大批量生产和大型复杂复合材料制件的生产要求。自动铺带应运而生，作为手工带铺放的替代，其采用自动控制技术实现预浸带的定位、铺放、压实、剪裁等功能，尤其适合小曲率曲面构件( 如筒段、翼面、壁板等) 的自动化成型[8]。

航天材料及工艺研究所以大型筒形结构复合材料构件为目标开展了自动铺带技术工程应用研究。突破了高性能干法预浸料制备技术，研制出了适于自动铺带使用的预浸料JT300/605，其性能如表1所示，实现了自动铺带用预浸料的批量生产；突破了预浸料分切技术（见图1），形成了各种幅宽的自动铺带用预浸带的分切制备能力，分切宽度达10~150mm，分切精度为±0.5mm/100m，初步满足了现阶段航天复合材料自动铺带成型的原材料需求；以圆筒形结构件为对象，采用研制的JT300/605热熔法预浸带，基于自动铺带成型系统，开展自动铺带成型工艺，分别从铺放角度范围、铺放质量、铺放效率、铺放精度等方面对筒形结构自动铺带工艺进行了分析研究及技术改进，显著提高了预浸带的铺层精度和质量一致性，预浸带间隙或重叠≤ 1mm，铺带角度与理论铺带角度偏差≤ 0.2°；通过筒形结构件的铺放试验研究，积累了自动铺带成型用大尺寸筒形结构模具的设计经验，掌握了自动铺带成型用筒形结构模具设计技术。在国内首次实现了复合材料自动铺带技术的工程化应用，研究成果已推广应用于多种航天产品的研制生产。

3 纤维缠绕技术

纤维湿法缠绕成型是实现复合材料“低成本、高性能”的重要手段之一，也是发展较早、技术相对成熟的复合材料自动化成型技术。在先进复合材料，尤其航天航空高性能复合材料结构制造中应用极为广泛，占据相当重要的地位，主要包括各类压力容器、固体火箭发动机壳体、承力碳管、管道、贮罐、发电机叶片等。复合材料压力容器已成为航空航天结构动力系统的关键组成部件之一，无论从结构重量还是从所占据的几何空间上看，都占有极高的比例，而其减重要求是制约着新一代先进发动机系统的研制和发展的技术瓶颈之一。如何设计和制备出轻量化的复合材料压力容器，最大化地减轻系统的重量，是复合材料研究人员追求的目标。世界发达国家均将发展轻量化复合材料压力容器技术列为太空探索的关键技术之一，如美国NASA提出的新航空研究计划（New Aeronautics Research Program）、2030年前的太空探索规划（3rd Space Exploration Conference & Exhibit）、欧洲木星探索计划等[9]。

航天材料及工艺研究所已经开展了纤维湿法缠绕成型技术在航天结构件的应用开发研究。基于航天环境对基体树脂的特殊需求，改进了复合材料湿法缠绕树脂的配方，开发了高韧性环氧树脂体系C601；突破了高性能复合材料气瓶的湿法缠绕成型技术，初步建立了复合材料压力容器设计、制备、试验和测试评价一体化的技术集成系统，有效地提高了复合材料气瓶成型的设计制造能力，为轻量化复合材料压力容器的可靠应用提供了技术保障。

目前，航天材料及工艺研究所形成了涵盖多类内衬（铝合金内衬、钛合金内衬等）、多类纤维（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）、多种结构形式（柱形、球形、环形）的复合材料压力容器研制能力，研制出了满足设计要求的增压系统用复合材料气瓶结构件，满足新一代运载火箭系统轻量化的发展需要。

4 网格缠绕技术

复合材料网格结构又称为先进格栅增强结构(AGS)，与已有的铝合金格栅结构相比，提高了结构的比强度和比模量，大幅度提高了结构效率，增加了有效载荷，同时增强了结构的抗腐蚀能力，而且可以利用自动化制造方法降低成本，最为突出的是增加了结构设计、制造的灵