复合材料锥壳固定角轨迹的铺放工艺性分析.pdf

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 2016年第3期       玻璃钢/复合材料 27  复合材料锥壳固定角轨迹的铺放工艺性分析     黄威,王显峰,肖军     (南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016)  摘要:为研究复合材料锥壳固定角自动铺丝轨迹的铺放工艺性,通过分析预浸纱变形的主要机制,提出以预浸纱的压缩                 应变作为铺放工艺性的评判标准,发现预浸纱压缩应变主要由轨迹的测地曲率决定,于是通过证明圆锥对数螺线与固定角轨 迹的等价性,推导得到圆锥对数螺线的测地曲率计算公式。通过研究预浸纱压缩应变随圆锥截面直径的变化关系,发现圆锥 固定角轨迹上预浸纱的压缩应变随着圆锥截面直径的减小而增大,同一截面处预浸纱的压缩应变随着铺放角的增大而增大,   同一截面处预浸纱的压缩应变随着锥角的增大而增大。最后,以X850预浸纱进行铺放实验,验证了本文观点的正确性。  关键词:复合材料;自动铺丝;固定角;测地曲率;工艺性     ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2016)03002704 先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲  劳、耐腐蚀、可设计性强、易于实现自动化整体化制 造等特点,已被广泛应用于工业生产的各个领域,特  别是航空航天等尖端技术领域1-6]。自动铺丝技术  可实现大尺寸、复杂形状复合材料结构件的精密自 动化成型制造,是复合材料低成本自动化成型技术  的发展方向.9J。复合材料锥壳在航空航天领域应   用广泛,如各类运载器与载荷的连接过渡段、火箭发 动机喷管、人造卫星的碳纤维缠绕锥壳、飞机雷达   罩等m川。    在实际生产中,常采用固定角度铺层设计以满    足纤维按复合材料强度设计的方向排布,同时,为减 小自动铺丝轨迹规划的难度,一般采用几组固定角     度的铺层,如O。铺层、+45。铺层和9O。铺层¨  z1J。但 固定角轨迹铺放锥壳构件将不可避免地带来预浸纱 的屈曲变形,对圆锥一类可展曲面而言,采用解析法 求解其固定角轨迹比传统三角面片数值解法求解圆 锥固定角轨迹具有更高的精度和计算效率,继而能     更加准确地求解圆锥固定角轨迹的测地曲率。对   此,本文通过分析圆锥的固定角轨迹规划算法,推导 了圆锥对数螺线的测地曲率计算公式,并研究了测 地曲率与预浸纱变形的关系,提出以预浸纱在宽度   方向引起的压缩应变作为圆锥固定角轨迹规划的评 判标准,分析了影响圆锥固定角轨迹铺放工艺性的 几何因素,并指出了在圆锥固定角轨迹铺放工艺性 较差时该采取的改进措施。   1圆锥固定角轨迹规划    假定圆锥大端位于xoy平面内,大端截面圆圆  心位于xoy平面的原点处,圆锥轴线位于轴上且圆  锥顶点位于z轴正方向上,如图1所示。其中,大端       直径为2R,小端直径为2r,锥角为2。则锥面方程 可写成如式(1)所示的形式。  √     (一+)cotot (1)          对于一般的曲面方程z=f(x,Y),可写成F    (,Y,z)-f(x,一z的形式。于是,曲面上任一点               (0,,扣)处的法向量为n=((O,),(O,  ),一1)。对图1中的圆锥面,其上任一点的法向 量可写成如式(2)所示的形式。      (,,) ’ ’  I丽丽J   图1锥壳示意图      Fig.1DiagramofconicalsheH  — 收稿日期:2015-0914  基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2014CB046501)  作者简介:黄威(1990-),男,硕士研究生,主要从事复合材料自动铺放成型方面的研究。   通讯作者:王显峰(1980-),男,博士,副教授,主要从事复合材料自动铺放成型方面的研究,wangxf@nuaa.edu.ca。 (2)  2016年第3期       玻璃钢/复合材料 29 通过在软件界面设置不同的铺放角或锥角,计     算出其压缩应变在不同铺放角下随直径的变化关   系。同时计算了20。、30。、40。不同锥角,大端直径为    460ram和小端直径为76mm的圆锥,其压缩应变在           铺放角为45。时随直径的变化关系如图3和图4  所示。 {争c 翻 婚 幽 50                 lO0l502OO2503003504OO4505OO 直 ̄./mm  图3不同铺放角下压缩应变随直径的变化         Fig.3Therelationshipofcompresivestrainanddiameter         oftheconicsectionwithdifferentlayingangle 1OO   1502OO       ‘   2503OO3504,u450  州 直径/mm   图4不同锥角下压缩应变随直径的变化         Fig.4Therelationshipofcompresivestrainanddiameter        oftheconicsectionwithdifferentconeangle      从图3和图4可以看出,对于特定圆锥上某一 条固定角轨迹的预浸纱而言,其压缩应变随着圆锥     周向截面直径的增大而减小,这意味着,圆锥自动铺   丝随着圆锥截面直径的增大,铺放工艺性越来越好。     对于特定圆锥上不同铺放角的轨迹而言,同一截面    上的预浸纱其压缩应变随着铺放角的增大而增大, 因此,在保证圆锥强度设计要求的前提下,尽量减小   圆锥固定角轨迹的铺放角可以提高铺放工艺性。对    于特定的铺放角而言,圆锥的锥角越大,预浸纱的压  缩应变越大,铺放工艺性也越差。     另外,根据图3和图4,在决定选取某种牌号的  预浸料进行实际铺放之后,可根据选定的预浸纱的   材料属性,取预浸纱的某一压缩应变值作为实际铺  放可接受的临界变形量,继而得到实际铺放可接受   的圆锥截面直径区间,为预测最终的铺放效果提供  数据参考。例如,若以单根预浸纱压缩应变的1%作  为临界值,由图3可知,铺放角为30。时,满足条件的      圆锥截面直径区间为[460,305],铺放角为45。时,    满足条件的圆锥截面直径区间为[460,368],铺放    角为6O。时,满足条件的圆锥截面直径区间为[460, 378]。  最后,本文以前文所述的圆锥实例为模型,以8        丝束、6.35ram丝宽的X850预浸纱在铺放温度为     35 ̄(2、铺放速度为500mm/min和料带张紧力为4N     的工艺条件下进行了45。和30。固定角轨迹的铺放    实验。结果显示,随着圆锥截面直径的减小,预浸纱  压缩应变逐渐增大,预浸纱产生的屈皱变形越来越 大,铺放工艺性越来越差。另外,3O。固定角轨迹铺  放可接受的区间比45。固定角轨迹铺放可接受的区 间大,这也验证了图3所示曲线的正确性。   3结论 本文通过分析预浸纱变形的主要机制,提出以 预浸纱在宽度方向引起的压缩应变作为评判铺放工 艺性的标准,并推导了圆锥对数螺线的测地曲率计 算公式。通过研究测地曲率随圆锥截面直径的变化     关系,分析了影响圆锥固定角轨迹铺放工艺性的几      何因素。同时,以X850预浸纱进行了实际铺放实  验。现总结如下: (1)圆锥固定角轨迹上预浸纱的压缩应变随着   圆锥截面半径的减小而增大,铺放工艺性随之变差;      (2)圆锥上不同铺放角的固定角轨迹,同一截   面处预浸纱的压缩应变随着铺放角的增大而增大。 在保证圆锥强度设计要求的前提下,尽可能减小固   定角轨迹的铺放角可以提高圆锥的铺放工艺性;     (3)相同铺放角的固定角轨迹,圆锥的锥角越   大,同一截面处预浸纱的压缩应变越大,铺放工艺性 也越差。 参考文献      [1]ShirinzadehB,CasidyG,OetomoD。eta1.Trajectorygeneration —      foropencontouredstructuresinroboticfiberplacement[J].Robotics — — andComputerIntegratedManufacturing,2O07,23(4):380394.  嘲峨 30 复合材料锥壳固定角轨迹的铺放工艺性分析  2016年3月     [2]肖军,李勇,李建龙.自动铺放技术在大型飞机复合材料构件制  造中的应用[J].航空制造技术,2008(1):5O-53. [3]唐见茂.航空航天复合材料发展现状及前景[J].航天器环境工 — 程,2013,30(4):352359.  [4]肖军,李勇,文立伟,等.树脂基复合材料自动铺放技术进展  [J].MATERIALCHINA(中国材料进展),2009,28(6):28・32. [5]梁宪珠,张铖.浅谈降低国内航空复合材料结构成本的途径   [J].航空制造技术,2011(3):4o. [6]朱晋生,王卓,欧峰.先进复合材料在航空航天领域的应用[J].— 新技术工艺,2012(9):7679. [7]林胜.自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP)一现代大型飞机制造的关 键设备(上)[J].WMEM,2009(4):84・89. [8]林胜.自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP).现代大型飞机制造的关— 键设备(中)[J].WMEM,2009(5):8995.    [9]林胜.自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP)-现代大型飞机制造的关— 键设备(下)[J].WMEM,2009(6):7883. [1O]富宏亚,韩振宇,路华.纤维缠绕/铺带/铺丝成型设备的发展 — 状况[J].航空制造技术,2009(22):4346.  [11]张振甫,肖军,吴海桥,等.复合材料锥壳0。铺层的自动铺放— 成型方法研究[J].宇航材料工艺,2007(2):5557. [12]卢敏,周来水,王小平,等.圆筒状构件的多层铺丝路径生成— 算法[J].航空学报,2011,32(1):181186. [13]韩振宇,李弱华,富宏亚,等.锥壳零件自动铺丝变角度轨迹 规划算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2012,24(3): 400.405. [143裴志军.砼搅拌运输车搅拌筒对数螺旋线螺距的探讨[J].专 — 用汽车,2006(6):2831.  [15]樊真美.圆锥对数螺线的性质[J].南京师范专科学校学报,— 1999(3):1519.     [16]熊文磊.基于网格化曲面的自动铺丝轨迹规划研究[D].南京: 南京航空航天大学,2012. [17]李俊斐.基于结构设计的开孔曲面自调节铺丝轨迹规划算法研      究[D].南京:南京航空航天大学,2013.   [18]梅向明,黄敬之.微分几何[M].北京:高等教育出版社, 2005:145.146.         ANALYSISoFPLACEMENTMANUFACTURABILITYoFFIXED-ANGLETRAJECTORY     FoRCOMPOSITECoNICALSHELL   —   HUANGWei,WANGXianfeng,XIAOJun           (CollegeofMaterialScienceandTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,  Nanjing210016,China)        —     Abstract:Inordertostudytheplacementmanufacturabilityoffixedangleautomatedfiberplacementtrajectory               forcompositeconicalshell,thispaperproposesanewevaluationcriterionforplacementmanufacturabilitybasedon               thecompresivestrainofprepregstrands.Asthecompresivestraindependsconsiderablyongeodesiccurvatureof                trajectory,theformulaforgeodesiccurvatureofconicallogarithmicspiralisderivedbyprovingtheequivalenceof               conicallogarithmicspiralandfixed-angletrajectory.Theformulashowsthatcompressivestrainofprepregstrandson—                 fixedangletrajectorydecreaseswiththediameteroftheconicsection,andincreaseswiththelayingangleandthe            coneangle.TheproposalisvalidatedbypracticalplacementexperimentusingX850prepreg.    —  Keywords:compositematerials;automatedfiberplacement;fixedangle;geodesiccurvature;manufactur- ability
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