复合材料锥壳固定角轨迹的铺放工艺性分析.pdf

　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，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｅｗｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒ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