基于自動絲束鋪放技術的復合材料進氣道結構設計及試驗驗證

趙博偉，杜發喜，高原，賴輝

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司 技術中心，成都 610092)

基于自動絲束鋪放技術的復合材料進氣道結構設計及試驗驗證

趙博偉，杜發喜，高原，賴輝

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司 技術中心，成都 610092)

某型號飛機采用S形進氣道，形狀復雜，且對剛度、裝配、內表面質量及重量要求很高，需要設計一個滿足所需的進氣道結構。采用復合材料整體成型結構設計，結合自動絲束鋪放技術，詳細敘述進氣道結構設計研制方案及實施方法，并對其進行有限元理論分析及試驗驗證，結果表明：進氣道結構滿足強度及剛度要求；自動絲束鋪放技術可以有效應用于變截面S形進氣道研制。研究結果可對研制其他復雜形狀飛機進氣道提供依據。

S形進氣道；復合材料；自動絲束鋪放技術；結構設計

0 引 言

某型號飛機進氣道采用基于自動絲束鋪放技術的復合材料整體成型方案。該技術在國外始于20世紀60年代[1]，在美國空軍實驗室的支持下起步，后經計算機輔助設計等方面支持迅速發展[2]。目前，自動鋪帶機、自動鋪絲機、各種預浸帶/紗已經形成系列產品供應，廣泛應用于多種航空航天器的樹脂基復合材料成型制造[3]。由于自動鋪絲技術采用的材料體系成熟度高，設計成型方法繼承性好，易于數字化和自動化制造[4]，已經成為發達國家飛機復合材料大型復雜構建件的主要成型方法，獲得了廣泛的應用，并且在具有復雜曲面結構復合材料整體成型的制造中具有明顯優勢，但是該技術受到發達國家對我國的嚴密封鎖，在國內應用尚屬空白，需要從結構設計到試驗進行一系列的驗證。

絲束鋪放技術是多軸聯動的鋪絲頭進行傳送，通過切割、重啟、加熱及壓實等功能將不同數量的纖維窄帶在壓輥下集束成帶，并按照程序設定的路徑鋪疊在模具上，制成零件的復合材料預成型體[5]。

國內目前對自動鋪絲技術的研究主要集中在根據初始參考線在曲面上做等距平移進行軌跡規劃和某一參考軸線成固定角度進行軌跡規劃[6]。構造合適的初始參考線，建立適當的曲面平移方法和求取合適的參考軸線并構造曲面上與該參考軸線成固定角度的迭代格式成為了國內研究的熱點[7]。邵冠軍等[8]設計了一種自由曲面復合材料構建的纖維鋪絲規則算法，考慮到了適于開放曲面復合材料構件的纖維鋪絲。林福建[9]則將零件表面離散為三角網絡，在此基礎上進行路徑規劃，該方法要求零件完全封閉。安魯陵等[10]以封閉曲面類構件為研究對象，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，根據這些等距點在曲面上的插值投影得到等距線，依據當前鋪絲路徑上各點與等距線的距離關系，求得該鋪絲軌跡上各點處的絲束信息，完成自動鋪絲的覆蓋性分析。隨著航空工業的發展，對自動絲束鋪放技術的需求日益強烈[11-12]。

本文以S形變截面進氣道為例，采用建立參考軸線及與其成固定角度的軌跡規劃的自動絲束鋪放技術，結合自動鋪絲硬件設備，研究進氣道的自動化鋪絲成型工藝，并進行力學分析及試驗驗證，以期對飛機型號復雜形狀進氣道的研制提供一定的借鑒。

1 設計方案

進氣道筒體采用復合材料絲束鋪放整體成型，因進氣道對剛度要求高，在進氣道上布置3根環狀加強筋條增加剛度，加強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氣道筒體上，再將碳布鋪疊上泡沫上固化成型。

進氣道剖面圖如圖1所示。

圖1 進氣道剖面圖

S形進氣道鋪絲方向由鋪絲角(鋪絲基準與鋪絲方向之間的夾角)參數φ表達，該參數以滿足剛度要求為設計目標，作強度校核。根據理論計算及工程實際，進氣道鋪層角度為[45°/-45°/0°/65°/-65°/0°]s。

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

詳細的鋪絲方法如圖2所示。

根據以上方法，利用自動絲束鋪放設備進行后續加工。

自動絲束鋪放[14-15]設備具備8絲束3mm寬預浸絲束獨立控制能力，鋪絲軌跡規劃設計軟件可讀取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備的專用鋪絲模具的設計及加工制造、專用模具與鋪放設備的匹配及調整、軌跡規劃與測試等方面。進氣道模具設計圖如圖3(a)所示，進氣道模具實物如圖3(b)所示。

(b) 實物圖

進氣道絲束鋪放過程如圖4所示，完畢后，將完全封裝的進氣道預成型體及其隨爐件在熱壓罐中，按照材料標準固化工藝固化成型。

圖4 絲束鋪放過程圖

2 分析驗證

為了保證進氣道結構能夠滿足在飛機上的應用，故對其靜力性能進行理論分析及試驗驗證。

理論分析采用有限元方法，將進氣道結構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，筋條內部填充物為泡沫材料，采用三維實體(C3D8)單元。進氣道上的網格總數為36 800個，進氣道有限元模型如圖5所示。

圖5 進氣道有限元模型

進氣道邊界條件設置為進氣道兩端固支，取吸力載荷-22 400Pa進行有限元分析，安全系數為1.3。得到應力云圖如圖6(a)所示，最大應力為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) 應力圖

(b) 位移圖

對比有限元方法，將基于上文軌跡規劃方法的自動鋪絲成型進氣道實體結構按照要求作強度試驗作相應驗證。試驗裝置設計及實物圖如圖7所示。在吸力載荷-22 400Pa下，各測點位移模擬值和試驗值對比如圖8(a)所示，應變測點1上0°應變對比如圖8(b)所示。試驗結果與理論計算結果吻合情況良好，工況卸載后，進氣道能恢復初始狀態，未出現有害變形、損傷、裂紋及破壞。滿足靜力要求，初步滿足裝機要求。

(a) 設計圖

(b) 實物圖

(a) 各測點位移模擬值和試驗值對比

(b) 測點1上0°應變對比

3 結 論

本文將絲束鋪放技術應用于S形進氣道研制，采用鋪絲軌跡規劃，結合自動絲束鋪放硬件設備，測試了真實鋪放效果，實現了進氣道的自動化鋪絲工藝成型，相比傳統金屬成型工藝，解決了內型面精度差、重量大、操作空間差等工程問題；對比復合材料成型的手工鋪疊工藝，解決了復雜曲面零件制造過程中容易出現褶皺、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驗證，證明了進氣道結構滿足強度及剛度要求，同時通過其他試驗驗證后，現已成功應用，證明自動絲束鋪放技術應用于變截面S形進氣道結構的有效性。以本文研究立足，有望打破歐美發達國家在高檔、精密和敏感復合材料成型技術領域對我國的封鎖。對其他飛機型號復雜形狀進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：復材與附屬結構設計。

杜發喜(1976-)，男，本科，高級工程師。主要研究方向：機體結構設計。

高 原(1988-)，男，本科，工程師。主要研究方向：機體結構設計。

賴 輝(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：復材與附屬結構設計。