帶纏繞、帶鋪放成型研究現狀及應用
先進復合材料(Advanced CompositeMaterials,ACM)是指高性能樹脂基復合材料,即用碳纖維等高性能纖維增強的樹脂基復合材料,其綜合性能與鋁合金相當,但比剛度、比強度要高于鋁合金。隨著先進復合材料的持續快速發展,其應用價值日益顯著,在提高航天產品技術性能方面,復合材料的應用優勢不僅體現在作為輕質化的結構材料,更體現在作為滿足各種應用需求的先進功能材料,以及代表復合材料技術高層次發展的結構/功能一體化和多項功能一體化的高新技術材料。復合材料的廣泛應用,在很大程度上取決于復合材料成型工藝。各種低成本制造技術應運而生,纖維縫合技術、樹脂轉移模塑成型技術(RTM)、樹脂膜滲透成型技術(RFI)、低成本模具技術、低溫低壓固化技術、電子束固化技術、纏繞技術、鋪放技術等得到迅速發展和應用。其中,纏繞、鋪放技術是近年來發展快、有效的復合材料成型制造技術。纏繞技術是指在控制張力和預定線型的條件下,將預浸膠纖維或布帶連續地纏繞在相應于制品內腔尺寸的芯?;騼纫r上,然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。
鋪放技術是指通過使用鋪放設備按照一定規律把預浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面,并用壓緊輥壓實。帶纏繞、帶鋪放則專指以預浸膠布帶為材料的復合材料纏繞、鋪放成型技術。目前,全已有多種類型的纏繞、鋪放設備投入項目研制和實際生產。纏繞、鋪放技術在降低制造成本和提高復合材料性能方面顯示出極大的優越性和潛力
帶纏繞、帶鋪放成型研究現狀及應用
1 帶纏繞成型技術研究現狀及應用
1.1 帶纏繞成型的國內外研究現狀帶纏繞成型技術隨著計算機技術、信息技術、控制技術的發展,在功能方面不斷擴大。從國外來看,美國已將帶纏繞成型工藝應用于型號研制:MD-2固體火箭發動機噴管部件中的13個零件,“侏儒”導彈的發動機噴管都是通過纏繞成型;歐洲、日本也在航天器、武器研制等領域廣泛地應用帶纏繞成型工藝:歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管,法國M51導彈的殼體,日本M-3S2、H-I、H-H火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復合材料。圖3所示為纏繞成型中的M51導彈殼體。
在國內,我國自60年代就開始研制復合材料纏繞設備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設計院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及華中科技大學等單位先后研制出不同的復合材料纏繞成型設備。西工大通過自主研發的多功能布帶數控纏繞機,工作效率高,纏繞出的制品達到型號工藝要求,成為能夠滿足高性能發動機噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關鍵配套設備。但是,上述纏繞成型設備基本上都是針對型面規則的回轉體零件研制開發的,對于諸如大飛機的機翼、機身、風電葉片等大型非規則復雜結構件無法實現纏繞成型。
1.2 帶纏繞成型的應用
帶纏繞成型技術在風力發電機組上的應用主要是葉片、機艙和導流罩的纏繞成型。葉片作為風力發電裝置關鍵、核心的部分,其材料和制造工藝將決定風力發電機組的性能和功率,也決定風力發電機組的成本。針對復合材料風電葉片的纏繞成型,德國、丹麥、美國等風能資源利用較好的在大型葉片的材料體系、外形設計、結構設計、工藝裝備等方面作了大量的研究開發工作,并取得了豐碩的成果。據報道,現今上大風力發電機的裝機容量為5MW,旋轉直徑可達126.3m。丹麥的LM公司為此裝備配套纏繞出了61.5m長的復合材料葉片,單片葉片的重量接近18t,成為大的復合材料葉片“巨人”。這一實例成功地體現了材料、結構和工藝三者的完美結合。
作為可再生的清潔能源之一,我國已經開始注重風能的開發和利用。在科技攻關項目和863項目的共同支持下,我國已基本掌握了風力發電機組及復合材料葉片的設計和制造技術;“十五”期間,將完成MW級風力發電機組的研制,為我國風電產業參與常規能源市場競爭奠定基礎。據近的資料報道,到2020年,我國將投資2000億元用于風力發電建設,新增風力發電能力將達3000MW,并要求風力發電裝備本土化。為此,國內的一些企業和研究機構正在加緊研究開發1.5MW風力發電裝備和與之配套的大型復合材料葉片。對可再生清潔能源的支持,為復合材料風電葉片纏繞成型技術提供了難得的發展機會。
2 帶鋪放成型技術研究現狀及應用
2.1帶鋪放成型的研究現狀
歐美發達于20世紀70年代開始研究帶鋪放成型技術,并取得了很大進展,已開發出復合材料帶鋪放成型設備,如美國Vought飛機公司的大型CTLM鋪放機,該系統有2個鋪放頭,可同時鋪放2個不同部位,Vought公司目前正使用此系統生產軍用C-17運輸機的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲早使用平面自動鋪帶機和曲面自動鋪帶機生產復合材料結構的公司,與手工鋪貼相比,CASA自動鋪帶機具有很高的生產效率,一般是手工鋪貼的10倍。當用150mm寬預浸膠布帶作平面鋪放時,生產效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術方面投入大量資金和人力,發展自動鋪帶技術生產B2轟炸機大型復合材料構件。近年來,波音公司也將自動鋪帶技術應用于其他項目,主要包括Navy A6轟炸機(復合材料機翼)、F-22戰斗機(機翼)和波音777民用飛機。波音777民用飛機的全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術制造。
目前,帶鋪放成型技術在我國尚處于起步階段,國內復雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主,其生產效率低、鋪層質量不穩定、材料利用率低、制造周期長、費用高,難以實現復雜的結構設計要求,制約了我國航空航天制造技術的發展和水平的提高。由于復合材料帶鋪放成型技術對軍工事業和國防事業有著重大意義,歐美發達對我國嚴密封鎖,并限制高檔、精密和敏感復合材料成型工藝裝備對我國的出口,使我國無法走“引進、消化、吸收”的捷徑。國內科研院所和企業一直致力于帶鋪放成型技術的研究,以打破發達對我國的技術壟斷,促進國防、航空航天事業的發展。
2.2 帶鋪放成型的應用
美國航空制造商大量應用帶鋪放成型技術生產B1、B2轟炸機的大型復合材料結構、F-22戰斗機機翼、波音777飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運輸機的水平安定面蒙皮等。歐洲生產的復合材料構件包括:A330和A340水平安定面蒙皮,A340尾翼蒙皮,A380的安定面蒙皮和翼盒等。
我國大飛機工程已經立項,復合材料規劃用量初期要達到15%,后期將隨著材料與設計制造技術的成熟逐步擴大,終的上限可能接近甚至超過現有波音787的復合材料用量水平[10],帶鋪放成型技術是保證大飛機項目順利實施的關鍵技術之一。對于現階段復合材料用量15% 的目標,翼面壁板類構件將成為主導。對于20年研制周期的大飛機計劃,為進一步提高飛機性能,加大復合材料用量勢在必行,復合材料機身鋪放技術將成為后期的關鍵技術。
鋪放技術是指通過使用鋪放設備按照一定規律把預浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面,并用壓緊輥壓實。帶纏繞、帶鋪放則專指以預浸膠布帶為材料的復合材料纏繞、鋪放成型技術。目前,全已有多種類型的纏繞、鋪放設備投入項目研制和實際生產。纏繞、鋪放技術在降低制造成本和提高復合材料性能方面顯示出極大的優越性和潛力
帶纏繞、帶鋪放成型研究現狀及應用
1 帶纏繞成型技術研究現狀及應用
1.1 帶纏繞成型的國內外研究現狀帶纏繞成型技術隨著計算機技術、信息技術、控制技術的發展,在功能方面不斷擴大。從國外來看,美國已將帶纏繞成型工藝應用于型號研制:MD-2固體火箭發動機噴管部件中的13個零件,“侏儒”導彈的發動機噴管都是通過纏繞成型;歐洲、日本也在航天器、武器研制等領域廣泛地應用帶纏繞成型工藝:歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管,法國M51導彈的殼體,日本M-3S2、H-I、H-H火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復合材料。圖3所示為纏繞成型中的M51導彈殼體。
在國內,我國自60年代就開始研制復合材料纏繞設備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設計院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及華中科技大學等單位先后研制出不同的復合材料纏繞成型設備。西工大通過自主研發的多功能布帶數控纏繞機,工作效率高,纏繞出的制品達到型號工藝要求,成為能夠滿足高性能發動機噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關鍵配套設備。但是,上述纏繞成型設備基本上都是針對型面規則的回轉體零件研制開發的,對于諸如大飛機的機翼、機身、風電葉片等大型非規則復雜結構件無法實現纏繞成型。
1.2 帶纏繞成型的應用
帶纏繞成型技術在風力發電機組上的應用主要是葉片、機艙和導流罩的纏繞成型。葉片作為風力發電裝置關鍵、核心的部分,其材料和制造工藝將決定風力發電機組的性能和功率,也決定風力發電機組的成本。針對復合材料風電葉片的纏繞成型,德國、丹麥、美國等風能資源利用較好的在大型葉片的材料體系、外形設計、結構設計、工藝裝備等方面作了大量的研究開發工作,并取得了豐碩的成果。據報道,現今上大風力發電機的裝機容量為5MW,旋轉直徑可達126.3m。丹麥的LM公司為此裝備配套纏繞出了61.5m長的復合材料葉片,單片葉片的重量接近18t,成為大的復合材料葉片“巨人”。這一實例成功地體現了材料、結構和工藝三者的完美結合。
作為可再生的清潔能源之一,我國已經開始注重風能的開發和利用。在科技攻關項目和863項目的共同支持下,我國已基本掌握了風力發電機組及復合材料葉片的設計和制造技術;“十五”期間,將完成MW級風力發電機組的研制,為我國風電產業參與常規能源市場競爭奠定基礎。據近的資料報道,到2020年,我國將投資2000億元用于風力發電建設,新增風力發電能力將達3000MW,并要求風力發電裝備本土化。為此,國內的一些企業和研究機構正在加緊研究開發1.5MW風力發電裝備和與之配套的大型復合材料葉片。對可再生清潔能源的支持,為復合材料風電葉片纏繞成型技術提供了難得的發展機會。
2 帶鋪放成型技術研究現狀及應用
2.1帶鋪放成型的研究現狀
歐美發達于20世紀70年代開始研究帶鋪放成型技術,并取得了很大進展,已開發出復合材料帶鋪放成型設備,如美國Vought飛機公司的大型CTLM鋪放機,該系統有2個鋪放頭,可同時鋪放2個不同部位,Vought公司目前正使用此系統生產軍用C-17運輸機的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲早使用平面自動鋪帶機和曲面自動鋪帶機生產復合材料結構的公司,與手工鋪貼相比,CASA自動鋪帶機具有很高的生產效率,一般是手工鋪貼的10倍。當用150mm寬預浸膠布帶作平面鋪放時,生產效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術方面投入大量資金和人力,發展自動鋪帶技術生產B2轟炸機大型復合材料構件。近年來,波音公司也將自動鋪帶技術應用于其他項目,主要包括Navy A6轟炸機(復合材料機翼)、F-22戰斗機(機翼)和波音777民用飛機。波音777民用飛機的全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術制造。
目前,帶鋪放成型技術在我國尚處于起步階段,國內復雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主,其生產效率低、鋪層質量不穩定、材料利用率低、制造周期長、費用高,難以實現復雜的結構設計要求,制約了我國航空航天制造技術的發展和水平的提高。由于復合材料帶鋪放成型技術對軍工事業和國防事業有著重大意義,歐美發達對我國嚴密封鎖,并限制高檔、精密和敏感復合材料成型工藝裝備對我國的出口,使我國無法走“引進、消化、吸收”的捷徑。國內科研院所和企業一直致力于帶鋪放成型技術的研究,以打破發達對我國的技術壟斷,促進國防、航空航天事業的發展。
2.2 帶鋪放成型的應用
美國航空制造商大量應用帶鋪放成型技術生產B1、B2轟炸機的大型復合材料結構、F-22戰斗機機翼、波音777飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運輸機的水平安定面蒙皮等。歐洲生產的復合材料構件包括:A330和A340水平安定面蒙皮,A340尾翼蒙皮,A380的安定面蒙皮和翼盒等。
我國大飛機工程已經立項,復合材料規劃用量初期要達到15%,后期將隨著材料與設計制造技術的成熟逐步擴大,終的上限可能接近甚至超過現有波音787的復合材料用量水平[10],帶鋪放成型技術是保證大飛機項目順利實施的關鍵技術之一。對于現階段復合材料用量15% 的目標,翼面壁板類構件將成為主導。對于20年研制周期的大飛機計劃,為進一步提高飛機性能,加大復合材料用量勢在必行,復合材料機身鋪放技術將成為后期的關鍵技術。










































