摘要
复合材料具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀等优点，在航天航空潜艇等领域具有广阔应用前景。随着自动铺放技术的发展，国外复合材料的制造技术已经达到了极高的应用水平，例如波音B787和空客A350的复合材料用量均超过50%。而国内复合材料的应用水平与国外存在明显的差距，比如ARJ21客机的复合材料用量在2%以下，C919大型客机也在12%左右。主要原因之一可能是我国复合材料自动化制造技术仍处于起步阶段，对铺丝工艺和制造约束的分析及研究不够充分，造成复合材料结构保守设计或性能达不到预期。本课题以复杂复合材料结构的铺丝工艺性为切入点，建立了主要铺丝工艺参数和制造约束的理论预测模型及控制机理，并将其应用到复合材料构件设计制造过程中，旨在保障复杂复合材料构件的铺放质量和力学性能。本文的主要研究内容与主要结论如下： (1)在自动铺放过程中，铺丝路径与铺放工艺是影响复合材料构件铺放质量和力学性能的重要因素。首先，介绍了复合材料构件铺丝路径规划的一般流程，为铺丝工艺与制造约束分析奠定基础。然后，分别阐述了铺放压力、铺放速度和铺放温度等铺丝工艺参数的作用机理及其对铺放质量的影响，说明了复杂曲面铺放时铺放温度与铺放速度协同规划的必要性。最后，详细分析了最短铺丝长度、边界覆盖率以及最小转弯半径等自动铺丝制造约束对铺放质量和缺陷形成的影响，并给出了一般工程处理方法。针对大曲率结构铺放易出现褶皱问题，提出最小转弯半径的准确预测以及工艺调控对复杂复合材料结构的设计和制造的重要作用。基于制造约束和铺丝工艺分析，明确了本文后续研究方向。 (2)铺放温度是影响预浸料粘性和铺放质量最敏感的工艺参数，而复杂曲率结构的铺放温度与铺放速度、铺放姿态紧密相关，容易导致铺放温度的不均匀分布。为此，首先提出了一种融合辐射传热模型、S型速度前瞻规划方法以及铺放姿态的温度预测方法。然后，以大曲率的C型梁模具为应用实例，建立了温度仿真模型来模拟90°铺层方向上路径的最高铺放温度，并与铺放试验进行对比。试验结果表明，最高铺放温度的仿真预测结果与试验测量值之间的误差为1~2℃，具有良好的一致性。最后，针对局部区域铺放温度过高（超过90℃），建立了铺放温度、铺放速度和加热功率之间的关系，提出了一种温度调控方法来控制铺放温度，并通过试验验证了温度调控方法的可行性。试验结果表明，温度调控后C型梁的铺放温度均处于最优工艺窗口之内，实现了复杂曲率结构铺放温度的准确控制并提高复合材料构件的最终成型质量。 (3)预浸料的最小转弯半径是复合材料制造过程最重要的铺丝制造约束之一，其影响丝束滑移和褶皱缺陷的形成。而转弯约束与预浸料粘性和铺放工艺紧密相关，为此建立了一种工艺相关最小转弯半径的理论预测模型。首先，通过设计不同铺放工艺条件下X850预浸料的转弯试验，验证了铺丝工艺参数对面外褶皱缺陷形成的重要影响。然后，结合最小势能原理、瑞利-里兹法和响应曲面法建立了工艺相关最小转弯半径的理论预测模型。其中，通过参数敏感性分析可知，切向剪切粘性力对最小转弯半径呈现显著的影响，并利用响应曲面法拟合得到层间剪切粘性力对铺丝工艺参数的二次多项回归模型。最后，通过两组不同的转弯试验验证理论预测模型的准确性。结果表明，两组不同工艺条件下最小转弯半径的理论预测值与试验测量结果之间的误差分别为3.5%和2.2%，吻合情况良好。最小转弯半径的理论预测模型不仅能为铺丝路径评价提供准确的约束条件还能为面向无褶皱铺放提供工艺优化的方向。 (4)针对铺丝工艺与制造约束对复合材料设计制造的重要影响作用，首先提出了考虑制造约束的复杂复合材料结构的铺丝工艺规划流程，并在铺丝路径规划基础上提出了铺丝路径与铺放工艺之间的协同规划方法。利用翼梢小翼模具，详细阐述了铺丝工艺规划过程并利用铺放试验进行验证。试验结果表明，翼梢小翼铺放质量良好，未出现明显的铺放缺陷，证明铺丝路径与铺放工艺之间的协同规划对保障复杂曲率结构的成型质量具有重要作用。面向制造约束在复合材料设计中的应用，以提高圆柱壳结构屈曲承载能力为目标，构建了一套考虑实际制造约束的设计流程和优化方法。其中，基于理论屈曲分析，在理论屈曲载荷最小的铺层上进行常曲率曲线路径设计；提出一种“均匀”刚度方法来计算间隙缺陷对材料性能的影响；利用遗传算法优化纤维方向角度获得考虑制造约束的变刚度圆柱壳结构的最大屈曲载荷。优化结果表明，未考虑制造约束的变刚度圆柱壳结构的最大屈曲载荷比常刚度复合材料圆柱壳结构提高了27.1%；而考虑制造约束的最大屈曲载荷比常刚度复合材料圆柱壳结构提高了23.5%。虽然考虑制造约束的最大屈曲载荷相比未考虑制造约束略有下降，但能够获得满足铺丝工艺性要求的铺放路径，避免铺放缺陷的产生。此外，丝束宽度越窄、最小转弯半径越小将会获得越高的最大屈曲载荷。
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