FiberSIM介绍及航空发动机应用
1FiberSIM国内外使用现状
FiberSIM作为复合材料设计软件已在国内外得到广泛的应用，主要用户在
国内外著名的航空航天公司。
1.1国外应用
1.1.1FiberSIM 在雷神飞机公司（Raytheon Aircraft）的应
用
Raytheon Premier I型飞机是雷神公司全新的商用喷气机，是商用喷气机家族中第一个全复合材料机身的飞机。
1）传统设计制造方法
传统方法是，工程设计部门为每个复合材料零件定义几何图形和基本的铺层原则，并移交至制造部门，然后进行一系列反复试验过程：
●制造工装设备
●创建平面展开图样，包括为避免纤维扭曲设计的切断和切口
●手工切割数百个纤维铺层
●使铺层适合于模具的外形
●针对问题调整平面展开样图
●重复上述过程直至所有问题得以解决
2）FiberSIM的高效解决方案
反复试验的过程费时而又浪费材料。Raytheon工程师选择了VISTAGY,Inc.的FiberSIM来解决遇到的问题：
●FiberSIM紧密集成于Raytheon公司的主要设计软件CATIA CAD系统。
●FiberSIM在业界有着优秀的成功记录，如Boeing，Lockheed Martin，British
Aerospace，Sikorsky等等。
●Raytheon公司建立了一个由设计和制造工程师组成的集成产品开发团队。
用FiberSIM软件，设计和制造工程师实时协同地在产品生产前进行铺层设
计。
●用CATIA为每个部件建立基本几何图形、结构特性和大致的铺层几何图形。
●用FiberSIM来仿真纤维如何贴合于复杂的外形，无须制作实际模具或切割
图样。对部件的每个铺层，软件会警示难于铺放的区域，黄色表示轻度扭
曲、红色表示严重扭曲。
●设计和制造工程师团队立即共同解决这些问题。对计算机中的虚拟铺层增
加拼接，立即观察对零件的影响。
●用这种交互式协同的方法设计复杂的部件，以前需要数周才能解决的问题
现在只需几个小时。
3）快速传递到制造过程
层几何图形被最终确定后，软件生成每层平面展开图样，直接由FiberSIM输出至排料计算软件，驱动数控切割机加工。由3D CAD模型直接到切割机的无缝连接使得实现自动化切割成为可能，无须手工对层进行几何图形编程。无缝转换也极大减少了铺层尺寸或方向的出错可能，也比手工过程降低了材料的浪费。
以软件直观的使用界面，设计者可记录关键的非几何信息如每层的材料、方向和相关标记；跟踪每层的关联属性和位置；创建图例化的车间铺层文档。
4）FiberSIM带来的效果
?投放市场时间加快30％：从概念设计到首飞由5年减至3.5年。
?减少重复设计：铺层设计中仅5％需要在车间再次修改，比原先减少了80％。
?更高效的合作：使得设计和制造部门协同工作，节省大量时间和成本。
?更高的精度和可重复性：设计师对所有铺层有更高的控制度以及由FiberSIM 生成的文档都保证了每个零件以精确的相同的方式进行加工。
?降低材料浪费：FiberSIM直接至排料计算软件和自动切割机保证了材料的最佳使用。
图1图示为FiberSIM 可制造性仿真的一个例子。红
色或黄色警示了制造中会出现问题的区域 图 2工程师用FiberSIM 对铺层进行拼接解决了制造问题，FiberSIM 随之为每个铺层创建了平面展开
图样
1.1.2 FiberSIM 在西科尔斯基飞机公司（Sikorsky Aircraft ）
的应用
Sikorsky 飞机公司的S-92直升机的复合材料结构的座舱罩，由于采用功能强大的VISTAGY , Inc.的复合材料设计制造软件FiberSIM ，缩减了工程设计制造、样机和工具费用。
1）传统的工程方法限制了高效的国际合作
设计大型复合材料部件时，无法在工具试制阶段以前了解铺层设计方案是否可行。
在复杂外形零件上进行纤维铺覆时可能会出现问题，铺层序列不均衡引起铺层应力可能导致褶皱或翘曲；扭曲使材料脱离模具导致不正确的外形、气泡和树脂堆积。
为避免这些问题，采取的保守做法增加了装配及材料的成本和重量。平均40％的铺层不得不在试制过程中做出修改，因而使得一个典型项目的完成期不得不延长25％。工期要求紧，Sikorsky 还要和世界范围的制造伙伴进行合作，许多伙伴在制造复杂的复合材料部件方面并无丰富经验。因此，Sikorsky 决定进一步加大仿真的力度。
2）FiberSIM 将Sikorsky 的仿真带入了崭新的阶段
以前在RAH-66 Comanche 直升机上做过一些有限的、基本的仿真工作。用FiberSIM 可以对复杂外形生成铺层图样，然后输出至激光投影系统。在一些复杂复合材料部件上，FiberSIM 软件的使用得到了认证。
对S －92，基本数据用CATIA CAD 系统产生。FiberSIM 完全集成于CATIA 中。
Sikorsky工程师进行铺层定义，用平面展开图样功能对复杂曲率、多曲面铺层生成展开图样。
进行可制造性分析：FiberSIM指出起皱、架桥、材料宽度限制等制造上的问题。提早发现这些问题可以将再次修改所需的费用减至十分之一到百分之一。
FiberSIM使得工程师指定铺设的起始点和材料的精确方向。激光投影系统用这些“种子点”和几何图形指导铺层过程。结果极易控制和重复，零件质量的一致性得到保证。
极大减少了时间和切割展开图样所需的手工操作。
3）高效率、高回报
用FiberSIM预先解决了可制造性问题，使产品质量得以保证。对Sikorsky电子化的初步设计文件，合作伙伴用FiberSIM以相当少的时间完成了详细设计，生成了激光投影和校准数据，将展开图样输出到排料系统和自动切割机。
首件样机近乎完美，在每个主要部件中，紧紧少数铺层需要修改。例如，仅4％的铺层要修改，而过去则达到40％。AIDC首件产品部件仅用了11个月，比过去类似部件快了27％。
4）FiberSIM带来的效果
?减少了工程修改：仅4％的铺层要修改，而过去需40％。
?减少材料浪费：无须材料的重复切割，避免反复试验。
?投放市场时间提高27％：制造前即可仿真材料性能，节省4个月时间。
?高效的合作：远隔千里的国际制造伙伴间可以高效交流合作。
?更高的精度和可重复性：无论谁来操作，零件的最终结果保持一致。
?降低工装工具成本：有效控制铺层厚度和堆叠，避免了用工装工具进行的补偿。
1.1.3 FiberSIM 在波音公司（Boeing Company ）的应用
Boeing 公司在联合攻击战斗机（JSF ）概念样机项目中，采用现代复合材料设计和生产制造等关键技术，显著降低了飞机的重量和成本。
1）传统方法存在的问题
波音公司的X-32联合攻击战斗机（JSF ）样机的很多大型部件是用12英寸和24英寸单向碳带复合材料采用手工铺层修正的方法制成，传统复合材料设计和制造方法存在以下问题：
很难预先确定零件的哪个区域会发生剪切问题，平面展开图样哪些部位需留出特定的间隙。结果是设计的初样需要在制造车间大量的反复试验修改才能满足要求。需花费大量时间才能将碳带铺放在一起，很难完成机翼这样的大型零件。
不能根据力学特性合理安排好各层的交错排列方式并验证是否能维持住这种方式。
2）FiberSIM 的高效过程
基于FiberSIM 软件的以下几个优良性能，以及在很多商业和军机设计领域已得到的成功应用，波音公司决定使用FiberSIM 复合材料仿真软件，对石墨纤维零件的可制造性进行评估：
FiberSIM 能精确模拟单向碳带的独特材料特性，生成平面展开图样，使波音公司能进行纤维束的搭接间隙分析。
FiberSIM 同波音公司的CATIA CAD 系统完全集成，只需很少的培训工作即可实施。
图3 FiberSIM 自动考虑层合板的厚度，对复杂曲
率、多曲面铺层生成展开图样 图 4 FiberSIM 生成的铺层表
波音公司工程师开始用CATIA定义模具面，纤维束的位置和边界，蜂窝泡沫芯的位置及其它工程特性。使用FiberSIM软件组织纤维束铺放，程序自动生成每束的排列，并记录关键的非几何信息，如材料，方向和相关标记，使纤维束在制造过程中能正确的定位。
然后用FiberSIM确定可能引起超过误差的间隙和皱缩的高剪切应力区域。软件用黄色警示较难铺放的区域，用红色警示最可能发生铺层问题的区域。然后，程序计算最合适的平面展开图样，使得在制造设计过程中而不是在铺层阶段即可确定展开图样，层间排列方式的可保持性使材料的结构特性得到优化。
3）自动铺层过程
●铺层簿、材料表和顺序图表，以前是逐项采用CAD系统和电子表格生成的，
FiberSIM对这些文档的自动生成是能使制造设计时间降低50％的首要因素。
●FiberSIM能将三维CAD几何图形直接连接到自动切割和喷涂设备。
●用FiberSIM将平面展开图样输出到排料软件包中排料计算，排料软件生成切割
机的数控程序，在节省大量时间的同时又提高了加工的精度和材料的使用率。
●FiberSIM生成的程序控制喷涂机在模具上进行喷涂，简化了碳带的铺层。自动
计算材料的厚度和铺层偏置以消除误差。
4）FiberSIM给波音带来的效益
?初始设计时间：节省5％－25％。
?重新设计时间：减少至45％。
?极大降低手工铺层时间
?精确的间隙分析：允许材料带的预切割，节省时间和材料。
?全过程控制：复合材料层和带的形状和铺放，消除反复试验过程，提高了产品的质量。
?无缝集成自动切割和喷涂设备：节省时间和材料成本。
1.1.4FiberSIM在庞巴迪航空公司（Bombardier Aerospace）
的应用
为了降低开发成本，庞巴迪公司评估用仿真手段来设计和制造CRJ700飞机的
复合材料零件。
1）传统方法
●由庞巴迪的工程设计部门设计每个复合材料零件的整个几何模型和基本的
铺层原则，传给工艺部门。
●工艺部门设计平面展开图样，包括避免纤维扭曲所进行的铺层拼接。
●工装工具准备好后，反复试验过程才开始。手工切割纤维层，在底模上试
着排列，产生大量废料。
2）FiberSIM优化铺层设计
为打破传统的设计模式，淘汰冗长的反复试验修改过程，由工程部控制整个铺层过程及将零件相关的数据统一到一个CAD文件，他们选择了取得广泛而又成功应用的FiberSIM系列软件。FiberSIM软件同庞巴迪公司使用的CATIA CAD软件完全集成，避免了CAD数据的转换。设计工程师用FiberSIM生成平面展开图样以及模拟复杂的铺层过程，并在制造工程师的支持下，可以完全控制铺层设计。在CRJ700飞机的整流罩设计的早期阶段，基于FiberSIM提供的反馈机制，工程师经过几个小时的反复过程就能完成铺层设计的定义、优化和校验。这种方法将整流罩的首件铺层时间从60个小时减少到16个小时。
3）使铺层过程更有条理
设计者用FiberSIM软件的其它特性来组织层的铺放。使用直观的基于表单的用户界面，设计者记录每层关键的非几何信息，如材料、铺层方向和相关标记，跟踪每个铺层的位置和相关属性。
4）无缝连接至自动切割机
设计好的铺层几何文件被提交到制造部门，将FiberSIM的相关数据传至排料计算软件包的库中，由排料计算软件驱动数控切割机进行自动切割，无须手工编程操作。无缝传输减少了铺层尺寸或铺层方向出错的可能，并节省了大量制造时间。
5）FiberSIM带来的效果
?减少了开发时间：Bombardier能够在设计和制造之间实现闭环，使首件平均
铺层时间降低了40％。
?设计优化：设计者在开发早期进行多次反复的零件设计过程，并且易于修改、效果显著。
?减少材料浪费：FiberSIM 生成净平面展开图样，排料计算软件为层切割机优化了层排列。
?减小误差：定位孔有助于消除可能的误差。
?提高可重复性：设计者能够对每个复合材料铺层的形状和铺放保持全部控制，并以同样的方式制造每个零件。
?更高的精度：由FiberSIM 设计的零件远比以往更佳地体现设计者的意图。
图5图示为FiberSIM 可制造性仿真的一个例子。红
色或黄色警示了CRJ Series 700部件制造中会出现问
题的区域 图6图示是将原来的层分成两部分，随后FiberSIM
为每个铺层创建了平面展开图样 1.1.5 FiberSIM 在英宇航系统（BAE SYSTEMS ）公司的应
用
Eurofighter 2000是一个单座、高性能、灵活的战斗机，具有优化的空间性能和全面的空对地进攻能力，其高性能的关键因素是大量使用碳纤维复合材料和其它高级材料。
1）传统方法存在的问题
在项目的早期阶段，复合材料的大量使用减慢了制造工程过程。
很难预测复合材料如何才能贴合于零件复杂的表面及层的平面展开图样；需要冗长的反复试验过程
很难确定在层的哪里需要添加切口和拼接，使得切口、拼接等大大超出实际所
需，铺层切口区域附加的层片增加了零件的重量。
制造过程中的精确文档编制很难维护，因为很多修改在制造车间频繁出现。
无法事先进行充足准备和预测
2）选FiberSIM为解决方案
Eurofighter 2000战斗机制造过程中，英宇航系统公司经评估和算例验证，决定用VISTAGY公司的FiberSIM软件对Eurofighter 2000战斗机复合材料部件进行重新铺层设计，目标是生成完善的制造过程文档编制，并降低整机重量。
3）组织铺层过程和文档编制
英宇航系统用FiberSIM复合材料工程环境（CEE）组织铺层设计，记录关键的非几何信息，产生铺层簿，材料表和顺序图表。追踪各层的位置和相关属性。并能够在制造过程中用激光投影设备对各铺层精确定位，使原先需要花费大量时间校核每层边界的问题得到解决。例如在机舱侧壳设计中，FiberSIM软件计算出该零件平面展开图样，确定易引起皱缩、开裂等问题的高应力区域。用黄色表示可能发生铺层困难的区域，红色表示最可能发生问题的区域。FiberSIM警示何时各铺层超过材料宽度限制。能够在计算机上可视化操作铺层方向，可以在设计阶段就预测出制造问题，并采取相应补救措施。
4）自动化集成激光投影系统
FiberSIM提供将3D CAD几何模型到激光投影系统（LPS）的直接连接，提高了制造的精度和效率，保证了直接切割成形的二维平面展开图样同三维零件的一致性。
用FiberSIM软件将生成的三维层边界、孔、拼接和标记数据传给激光投影系统（LPS）,在生成LPS数据的同时，FiberSIM自动计算材料厚度和铺层的偏置，消除了LPS手工编程时因层偏置而产生的累计视差。
5）FiberSIM带来的效果
?节省大量时间：设计、制造的完成时间及反复试验次数都大大减少。
?减轻重量：精确的平面展开图样消除了以前设计中的不必要补片。
?避免了反复试验的过程：建立了设计和制造间的闭环机制，确保成品完全符合设计意图。
?无缝集成：消除了以前自动化设备采用手工编程所存在的误差。
?更高的精度，更好的质量
图7图中因只用一块铺层而导致制造中会出现问题，用红色或黄色来警示
图8图中通过三件铺层的拼接使问题降至最轻，
FiberSIM 为每个铺层创建了展开图样 1.1.6 FiberSIM 软件在洛克西德马丁公司（Lockheed
Martin ）的应用
洛克希德.马丁公司在联合攻击战斗机（JSF ）概念示范合同竞争中在JSF 的部件上采用最新的复合材料技术，保证其竞争力。
1）设计中存在的问题
无可靠的方法处理因在复杂外形零件上采用复合材料而产生的潜在材料扭曲问题。
没有方法确定满足铺层边界要求的平面展开图样，造成了贵重材料的浪费和大量的车间返工。
预浸材料最长的时间限度大约是两周，如果超过了这个期限，零件就要报废，整个铺层过程也要重新开始。
2）用FiberSIM 解决辅助进气道的复合材料的设计和制造
为克服这项非常重要项目中的问题，洛克希德马丁选择FiberSIM 复合材料仿真软件进行铺层设计。FiberSIM 软件与CATIA CAD 系统紧密集成，能够利用现有的零件几何模型和熟悉的用户界面进行工作。
●铺层设计
辅助进气道的几何形状复杂，该零件给设计带来了挑战，复杂轮廓的复合材料层有扭曲趋势，纤维方向改变到一定程度会降低零件的整体性能。严重情况下，铺层甚至不能伸展覆盖几何体，在一些区域内铺层会聚成一团发生皱缩而降低结构性能。在用FiberSIM软件设计每层时，软件将较难铺层的区域用黄色或红色强调，对铺层加以拼接并能立即观察到它们对零件的影响。在一天内即可完成铺层几何定义，将扭曲降至可接收的程度，消除起皱和开裂现象。
●自动化集成
设计好铺层几何图形后，FiberSIM软件自动计算每层的平面展开图样，将各层展开图样输出到数控切割设备。从3D CAD模型到切割设备的无缝连接方式，实现了切割自动化。同时这种无缝连接方式降低了错误几率。由于FiberSIM软件生成了平面展开图样，排料计算软件在机床上优化组合各层的位置，极大的降低了废料的产生。自动化切割替代了手工切割模板，在提高产品质量的同时也节约了大量的成本。
洛克西德马丁的工程师用FiberSIM软件生成激光投影系统（LPS）所需的三维层边界、孔、拼接和标记数据。在生成LPS数据时，FiberSIM自动计算材料厚度和铺层的偏置。消除了LPS手工编程时因层偏置而产生的累计视差。
3）FiberSIM在JSF项目发挥的优势
?大量节省时间：辅助进气道样品总时间节省400小时（53％），样机大约80个零件节省20％时间。
?不合格样品率降至最低：目前为止，无样品零件由于设计问题而返工。
?提高质量：不仅优化零件铺层设计，而且优化结构特性。
?高可靠性：各层吻合极好，零件通过了物理试验。
?高效率：用FiberSIM软件，不到两天时间就完成了一个机翼的铺层设计，这是一个空前的记录。
图 9石墨环氧复合材料结构的JSF 进气道在
lockheed Martin 的装配车间 图 10图示为FiberSIM 仿真如何将织物铺覆于复杂
曲率表面以及如何创建展开图样 1.2 国内应用
1.2.1 在哈尔滨飞机工业集团公司的应用
哈尔滨飞机工业集团有限责任公司选择VISTAGY 的 FiberSIM 作为一种主要商用客机的先进复合材料零件的设计和制造软件，应用该软件，哈飞实现了复合材料结构数字化集成的设计与工艺制造一体化技术，在转包项目中应用该软件实现了复合材料零件的设计编程，并在严格的交付日期前制造出了零件，实现了跨国际间精确数据传递。
在VISTAGY 的专业技术服务团队的帮助下，哈飞的工程师们掌握了该软件的铺层设计、可制造性分析、剪口优化、铺层展开、编程文件的生成及与各接口软件和设备的数据集成。由于FiberSIM 可以直接集成到CAD 软件系统中，工程师们可以在已有的3D 开发环境下工作，使用功能强大的新工具更快速、更容易的进行复合材料零件设计。工程师可以使用基于结构的定义工具高效的创建复材铺层，自信的管理数以百计的铺层数据变更，轻击按钮生成制造文档，与下游小组和自动铺放设备自动共享产品定义。
哈飞现在对FiberSIM 软件已经有了深入的认识和了解，并有了成功应用经验，认为该软件在复合材料零件解决方案上具有一定的优势，缩短研制周期，提高劳动效率，降低材料成本，减少零件的报废率，提高了复合材料零件批生产质量稳定性，基于对该软件的成功使用，哈飞有意追加购买许可证，以保证在哈飞在后续飞机项目复合材料结构件上扩大应用该软件。
1.2.2FiberSIM在成都飞机工业集团公司的应用
成飞使用FiberSIM开发复合材料飞机产品和零件，比如机翼蒙皮和商用飞机方向舵，贯通概念设计到产品交付。复合材料工程过程包含许多种独特方法和工艺，比如居于层的设计，纤维铺放和带铺叠，这些方法都不同于其它类型的零件开发过程。.FiberSIM支持所有的复合材料方法和工艺，为工业件提供了最完整的平台用来共享设计数据。从基于结构的层创建，零件性能模拟，文档生成到制造，FiberSIM 支持复合材料设计到制造所有必须的过程，完全可以应对复合材料发展过程中的挑战。它的柔性和开放性的3D工程环境使它成为了成飞复合材料开发过程的良好的平台。
FiberSIM具有开放和柔性的架构。成飞需要一个解决方案能高效而简单的同主要的分析、树脂注射成型和其它支持XML技术的软件的接口。如果这些软件不能在深层次上共享数据和沟通，工程师就无法获得所设计零件的准确性能。FiberSIM 正在帮助成飞的工程师降低成本，节约时间，使他们能将精力集中在产品精度和创新上。
2FiberSIM软件模块及功能介绍
2.1CEE模块
FiberSIM复合材料设计环境CEE(FiberSIM Composite Engineering Environment )是FiberSIM软件的核心模块，是高性能的复合材料零件设计和制造工具。
CEE帮助用户实现：
在现有CAD系统中设计复合材料结构
确定层合板关键部位的需求条件，并校核是否能够满足
在产品开发早期识别并解决设计和制造问题
生成复杂曲率形状和多面形状零件的净平面展开图样
自动生成电子实物模型，胶合面和合模的层合板面
提高设计效率，减少开发、材料浪费、设计修正、工具成本和制造时间
图11 FiberSIM自动产生层的边界几何偏置，
使层的定义更加容易
功能特点
?基于特征的设计
工程师可以管理在层合板设计过程中产生的特征数据。CEE提供自动特征选择，铺层边界生成和特征镜像的功能。CEE保证复材零件几何模型数据的完整性，一旦设计有改动，CEE会及时修正模型，并提醒用户，确保特征的准确性。为避免数据随意改动，用户可以锁定零件的特征。CEE保证特征之间的关联性，即如果零件边界、材料、铺层边界或平面展开图样有改动，文档信息会进行及时的更新。
?层合板分析
在设计过程中，层合板的铺层数目、厚度、材料和纤维方向可根据层合板的需求条件设计分析。铺层分析工具可以对层合板进行必要的修改，反馈层合板分析的结果，优化设计复材零件，得到更加轻型、低成本的零件。CEE还能够自动计算复材零件重量、面积、重心和材料的成本，在计算这些数据时，会将材料的扭曲变形考虑进去，得到精确的零件参数。
?可制造性评估
零件已经满足了设计要求，但是，它是否同时满足制造要求呢？利用CEE的材料仿真技术，工程师可以预知复合材料是否符合复杂的曲面，可以可视化纤维的方向，预知制造上的问题，具体过程是：在初期设计阶段，CEE会发现潜在的制造问题，例如：在层铺贴时可能产生的铺层褶皱，或者是铺层超过材料宽度的问题，它会警告工程师，使得在设计初期就发现制造问题，而不是到制造车间才发现，大大减少了成本的损耗。CEE还提供自动切断和拼接功能。
?平面展开图样生成
所有潜在的制造问题都修正以后，CEE 会由三维模型直接生成二维网格式复杂曲面平面展开样图，不再需要进行手工修剪。平面展开样图被存储在三维模型系统中，准备输出到排料计算系统。
?层合板面生成
复材零件的形状由多层铺层和夹芯决定。在虚拟装配环境中，手工创建制造工装很困难，CEE 从定义的铺层、夹芯和铺贴曲面自动产生层合板表面。这些表面可以用来创建实体模型，生成工装模具表面和铺贴表面。
?开放式架构
CEE
灵活的输入和输出功能，确保与其它程序（如电子表格）和工程软件图 12 FiberSIM CEE 模拟零件的可制造性，以
黄色和红色表示发生制造问题的部位
图 13增加铺层切口修正制造问题，CEE 由三维模
型直接产生二维平面展开样图
共享数据。CEE 也提供了可配臵的材料数据库，包括材料厚度、成本、性能、可制造性和规格说明。
● 在CAD 软件界面内使用CEE
● 确保数据完整性和精度
● 同其他FiberSIM 软件包紧密集成
2.2 ACEE 模块
ACEE 使设计、仿真和制造过程更加自动化，在保证部件质量的同时减少了设计、制造的时间和成本。
?基于区域设计层合板
在实际设计操作中，设计人员通常需要对复材零件作详细分析后将其划分为若干区域，结构特性相同部分构成一个区域，这些区域可定义为Zone 。在零件的初期设计阶段，允许用户在3D CAD 模型下灵活地创建区域和材料规范，对零件进行定义。针对一些复材设计的特殊要求，FiberSIM 支持斜面和重叠覆盖区域的定义，允许输入混合材料的规范。在确定了区域要求后，层可自动生成。同区域的层特性一致，如形状、材料和纤维方向等，相对以前手工定义层合板显著地节省了时间。
?动态生成区域过渡和层的边界
FiberSIM 在初期设计阶段允许定义不同区域的层边界如何递减或交错。可以指定层边界的递减样式（Offset profile ）
，创建复杂的区域过渡形式，根据区域过渡图14由定义的区域生成递减的层边界
信息生成层的虚拟边界和序列，不需要事先在CAD系统中建模层的边界几何。该方法可以使用户快速准确定义基于区域设计的层合板，根据过渡规范自动重新计算层的边界，大大增强了修改层的能力。因为不需要手工重新定义层的几何边界，大大节省了时间。
?生成可变的叠层表面
复材设计的一个优势在于可以将层准确放在所需要的地方。为使整体零件重量最小化，只将承受应力较大的部位设计厚一些，使其比其它部位坚固。根据铺层生成的叠层表面厚度不同。能生成实物模型和模具内表面，而过去是手工创建这些表面。FiberSIM独特的可变表面补偿技术（variable surface offset technology）为CAD 中的模型生成叠层表面。这项技术自动计算制造公差和层的厚度，生成用于检查干涉的模型表面，生成两个部件连接的配合表面和用于制造的模具表面。
智能切口和拼接：设计人员只需先定义第一个层的切口和拼接，然后定义各个切口和拼接的交错规则。软件可以根据定义生成其它的切口和拼接。如果铺层中需要插入新的层，智能切口和拼接功能可以自动更新层的交错，大大简化了更改设计的工作量，节省了设计时间。
2.3FiberSIM可选模块
FiberSIM 提供的可选模块是对核心模块CEE的有力补充，将CEE与可选模块结合使用，能够实现从CAD模型到制造车间的无缝连接。它提供了用于分析和制造的所有信息，主要包括：工程图文档，平面展开图样，驱动激光投影仪、自动切割机和纤维铺放机的数据文件，这些信息都来自同一个CAD模型，保证了制造零件的质量和精度。
2.3.1FiberSIM平面图样输出模块（FiberSIM Flat
Pattern Export）
平面图样输出模块根据CAD图形生成数据文件，直接传输到排料计算系统，还可以根据加工需要进行倒圆角，避免了手工干预，减少了错误的发生，提高了复材设计和制造的生产率。
主要特性：
保证数据的完整性和准确性
避免手工进行数据的分类
对平面展开图样进行优化
保持了现有平面图样的属性
文件可以是标准的IGES和DXF的格式
由FiberSIM 集成伙伴支持，提供与排料系统的无缝连接
2.3.2 FiberSIM 激光投影模块（FiberSIM Laser
Projection ）
激光投影模块能够根据CAD 模型生成投影数据文件，提高了生产率，减少了错误的发生，很容易对投影数据进行更新。
主要特性：
自动生成激光投影数据文件
支持所有现有的激光投影系统
计算铺层的厚度偏臵
帮助对激光投影仪的多头系统进行编程
直接从CAD 用户界面选择FiberSIM 激光投影模块运行
保证数据的完整性和准确性
无须对数据进行转换
由FiberSIM 集成伙伴支持，提供与激光投影系统的无缝连接
2.3.3 FiberSIM 文档生成模块（FiberSIM Documentation ）
ACEE 可以管理复材设计中的大量数据，文档生成模块可由这些数据生成材料表，层顺序表，层铺贴表等。如果设计有改动，文档生成模块中的表单会自动更新。进行有效管理和查询。
主要特性：
表单的格式类型可根据用户需要进行定制
保证了文档的准确性和一致性
图 16准备输出的FiberSIM 生
成的平面图样 图 15生成激光投影的数据
通过Documentation（文档）模块，可自动生成工程和制造文档，能够将产品设计快速可靠地转换到制造车间。从3D模型中可直接生成3D、2D的截面和插图编号，材料表，序列图表以及其它的图纸文档。如果设计有改动，文档生成模块中的表单会自动更新，进行有效管理和查询。
主要特征包括：
表格的格式可根据用户需要进行定制
保证了文档的准确性和一致性
生成的文档类型包括以下多种形式：
1）3D文档
?注释
-层合板厚度
-铺层数计算
-铺层表
?截面
-示意图
2）2D文档
?层铺贴图表
?工程图
?材料清单
?序列图表
图17层的铺贴图表图18扩展的层铺贴图表
图19材料清单
以下两例是工程图样式，可指示层标记，厚度和层数目
2.3.4Fiber Placement Interface Option（纤维铺放机接口
模块）
利用纤维铺放接口，用户可以从复材零件模型直接生成纤维铺放的数据文件。提高了生产率，减少了错误的发生，很容易对数据进行更改和优化。
主要特性：
在纤维铺放过程中对CEE/ACEE有力支持
复合材料的发展和应用 复合材料的发展和应用 具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候 论文格式论文范文毕业论文 全球复合发展概况复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电气、、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。树脂基复合材料的增强材料树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道
的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。 2、碳纤维 3、芳纶纤维 20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。 4、超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。 5、热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料、连
中投顾问产业研究中心 中投顾问·让投资更安全 经营更稳健 航空发动机产业发展趋势分析 中投顾问发布的《2016-2020年中国航空发动机产业深度调研及投资前景预测报告》指出，航空推进技术正呈现加速发展的态势，未来军用航空发动机的设计研制周期将明显缩短，成本将大幅降低，而技术性能将显著提高。预计未来航空发动机发展方向主要表现在以下几方面： 1、气动设计。气动设计可使未来发动机单位推力和部件效率进一步提高，且通过减少叶轮机级数、燃烧室和喷管更紧凑及在可能情况下取消加力燃烧室等办法来减轻质量。主要技术有：风扇/压气机叶片采用有粘、全三维气动设计技术，燃烧室采用旋流燃烧技术，涡轮叶片采用有粘、全三维气动设计技术，并进行复合倾斜和端弯设计、先进的热端传热分析和冷却设计；喷管采用360°全方位气动矢量喷管设计等。 2、结构设计。先进的结构设计可减轻发动机质量，同时可充分发挥新材料的性能。新结构主要有：空心风扇/压气机叶片、整体叶盘、整体叶环、刷式和气膜封严、双层壁火焰筒、对转涡轮、双辐板涡轮盘、磁性轴承、内装式整体起动、发电机和骨架承力结构等。 3、新材料。新材料是航空动力技术进步的重要基础，是提高军用航空发动机推重比的主要突破口。主要有：树脂基复合材料、纤维增强的钛基材料、耐高温合金材料、陶瓷基复合材料、碳-碳基复合材料等。通过采用新材料，在保证其耐高温性、高强度的前提下，减轻发动机质量。 4、控制系统。先进新型军用航空发动机将采用综合、分布、光纤、多变量及智能化数字电子控制技术，同时还将提高控制的可靠性，降低耗油率和减轻质量。带有高度一体化数据总线的全智能分布式控制系统，具有质量轻、控制性能好，能在高温、强电磁辐射及强振动条件下稳定可靠工作。
航空发动机试验测试技术 航空发动机是当代最精密的机械产品之一，由于航空发动机涉及气动、热工、结构与 强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科，一台发动机内有十几个部件和 系统以及数以万计的零件，其应力、温度、转速、压力、振动、间隙等工作条件远比飞机 其它分系统复杂和苛刻，而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性又有很 高的要求，因此发动机的研制过程是一个设计、制造、试验、修改设计的多次迭代性过程。在有良好技术储备的基础上，研制一种新的发动机尚要做一万小时的整机试验和十万小时 的部件及系统试验，需要庞大而精密的试验设备。试验测试技术是发展先进航空发动机的 关键技术之一，试验测试结果既是验证和修改发动机设计的重要依据，也是评价发动机部 件和整机性能的重要判定条件。因此“航空发动机是试出来的”已成为行业共识。 从航空发动机各组成部分的试验来分类，可分为部件试验和全台发动机的整机试验， 一般也将全台发动机的试验称为试车。部件试验主要有：进气道试验、压气机试验、平面 叶栅试验、燃烧室试验、涡轮试验、加力燃烧室试验、尾喷管试验、附件试验以及零、组 件的强度、振动试验等。整机试验有：整机地面试验、高空模拟试验、环境试验和飞行试 验等。下面详细介绍几种试验。 1进气道试验 研究飞行器进气道性能的风洞试验。一般先进行小缩比尺寸模型的风洞试验，主 要是验证和修改初步设计的进气道静特性。然后还需在较大的风洞上进行l／6或l／5的 缩尺模型试验，以便验证进气道全部设计要求。进气道与发动机是共同工作的，在不同状 态下都要求进气道与发动机的流量匹配和流场匹配，相容性要好。实现相容目前主要依靠 进气道与发动机联合试验。 2，压气机试验 对压气机性能进行的试验。压气机性能试验主要是在不同的转速下，测取压气机特性 参数(空气流量、增压比、效率和喘振点等)，以便验证设计、计算是否正确、合理，找出 不足之处，便于修改、完善设计。压气机试验可分为： (1)压气机模型试验：用满足几何相似的缩小或放大的压气机模型件，在压气机试验台上按任务要求进行的试验。 (2)全尺寸压气机试验：用全尺寸的压气机试验件在压气机试验台上测取压气机特性，确定稳定工作边界，研究流动损失及检查压气机调节系统可靠性等所进行的试验。 (3)在发动机上进行的全尺寸压气机试验：在发动机上试验压气机，主要包括部件间的匹配和进行一些特种试验，如侧风试验、叶片应力测量试验和压气机防喘系统试验等。 3，燃烧室试验 在专门的燃烧室试验设备上，模拟发动机燃烧室的进口气流条件(压力、温度、流量) 所进行的各种试验。主要试验内容有：燃烧效率、流体阻力、稳定工作范围、加速性、出 口温度分布、火焰筒壁温与寿命、喷嘴积炭、排气污染、点火范围等。 由于燃烧室中发生的物理化学过程十分复杂，目前还没有一套精确的设计计算方法。因此，燃烧室的研制和发展主要靠大量试验来完成。根据试验目的，在不同试验器上，采 用不同的模拟准则，进行多次反复试验并进行修改调整，以满足设计要求，因此燃烧室试 验对新机研制或改进改型是必不可少的关键性试验。
2020年航空发动机行业分析报告 2020年2月
目录 一、我国航空发动机国产化势在必行，产业链各环节企业将迎来重大 发展机遇期 (5) 1、国家级基金战略扶持：预计2017年启动的国家级两机专项计划投入规模 6在3000亿以上 ........................................................................................................ 2、国家安全战略重要保障：两机是工业领域皇冠上的明珠，是国家安全的重 7要战略保障 .............................................................................................................. 3、产业链条足够长、市场空间足够大：预计未来10年全球两机市场规模将 达到6000亿美元，产业链各环节企业发展空间巨大 (8) 二、我国航空发动机产业发展现状及标的梳理 (12) 1、航空发动机产业发展特点：技术壁垒高、经济回报高、研制周期长 (12) （1）技术壁垒高 (12) （2）经济回报高 (13) （3）研制周期长、研制投入大 (13) 2、我国国产军用航空发动机发展现状 (14) （1）仿制和改进 (14) （2）部分自主设计 (15) （3）拥有自主知识产权 (15) 3、我国航空发动机等两机产业链标的梳理 (16) 三、两机产业链：全球维度看切入两机供应体系，国内维度看自主可 控加速技术与产品落地 (17) 1、航发动力：我国航空发动机制造龙头企业，整机制造处垄断地位 (18) 2、应流股份：两机叶片千亿美金赛道，从此有了中国制造 (19)
航空航天复合材料技术发展现状 2008-11-25 中国复合材料在线［收藏该文章］ 材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都 对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。 固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航 天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之 一。在固体发动机研制及生产中尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标， 目前已拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展，同时材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。 目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动 机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的 固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的 提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号 远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在 研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。 二、国内外技术发展现状分析 1、国外技术发展现状分析 1.1结构复合材料 国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1 、-2、- 3 ）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A 环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为 5 300MPa , HBRF-55A 环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc ）＞3 9KM ;美国的潜射导弹“三叉戟II （D5 ）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳 体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方 面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用 的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa,九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa,并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年产的炭纤维品种只有4种，至U 1995 年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。 芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC,均已在多 个型号上得到应用，如前苏联的SS24、SS25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应 用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚
航空发动机产业链梳理专题报告：工业之巅，市场空间巨大 综述 1、航空发动机是当之无愧的工业之巅，核心机是发动机研制关键的一环 航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域，是技术密集、知识密集的高科技产品，对基础材料、加工工艺、装配工艺、基础试验等有着苛刻的要求，因而被誉为现代制造业“皇冠上的明珠”。核心机是发动机的心脏，核心机在发动机的研制成本中占比最大，研制周期（预研阶段）最长。 同时，核心机可以派生出很多不同系列发动机。 2、航发产业链：上游研发设计、中游分系统制造、下游整机制造 发动机的整机和系统制造是最关键的一步。发动机的核心技术及总装集成、客户销售、后续的发动机大修与零部件更换等环节都被整机制造商所控制，整机制造商负责整体设计，承担研发风险，利润也相对最高。叶片是航空发动机的最核心部件，它的制造占据了整个发动机制造30%以上的工作量。目前金属材料和先进复合材料是航空发动机叶片制造的两大类主要材料。动力控制系统从液压机械控制发展到全权限数字电子控制（FADEC）。
发动机状态监视和故障诊断系统归入发动机控制系统，并且防喘控制也越来越受到专家的关注。航空发动机的零部件有盘轴、风扇轴、涡轮盘、轴、整体叶盘/叶轮、涡轮机匣和风扇匣等，按毛坯提供方式可以分为锻造件、 铸造件和钣金件。高温合金一般应用于四大领域。新型的先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的40%-60%以上，主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。。 3、军用航空发动机增量和存量市场空间巨大 军用航空发动机主要包括新增市场和存量维护保养市场。新增市场方面，我们预计未来十年军机航发增量市场为335.1 亿美元；存量维修和保养市场方面，航空发动机每运行一段时间(50-100 个小时)需要进行一次专检，检查易损 件和承力件以及油滤油泵的性能，飞行600-1000 小时再进行一次大修，更换部分易损承力部件，一般航空发动机整个生命周期大修次数为 3 次左右，航空发动机后续维修和保养费用较高，我们维修和保养费用价格为新机的 1.2 倍，未来十年军机航发存量市场为402.12 亿美元，增量和存量市场合计为737.22 亿美元。 1. 航空发动机：现代工业“皇冠上的明珠”，核心机是发动机研制关键 的一环 1.1 航空发动机三大特点 航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域，是技术密集、知识密集的高科技产品，对基础材料、加工工艺、装配工艺、基础试验等有着苛刻的要求，因而被誉为现代制造业“皇冠上的明珠”。目前，各种类型的航空发动机分别被广泛应用于不同飞行包线的固定翼飞机和直升机，是现代航空制造业的核心环节，可以说航空发动机的技术水平是推动航空器性能提升的核心因素。 航空发动机产业有以下特点：技术壁垒高、经济回报高、研制周期长。
ARTICLES 学术论文 引言 航空发动机的设计、材料与制造技术对于航空工业的发展起着关键性的作用，先进的航空动力是体现一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。随着航空科技的迅速发展，面对不断提高的国防建设要求，航空发动机必须满足超高速、高空、长航时、超远航程的新一代飞机的需求。 近年来，航空工业发达国家都在研制高性能航空发动机上投入了大量的资金和人力，实施一系列技术开发和验证计划，如“先进战术战斗机发动机计划（ATFE ）”、“综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET ）计划”及后续的VAATE 计划、英法合作军用发动机技术计划（AMET ）等。在这些计划的支持下，美国的F119、欧洲的 EJ200、法国的M88和俄罗斯的AL-41F 等推重比10 一级发动机陆续问世。 为了提高发动机的可靠性和推力，先进高性能发动机采用了大量新材料，且结构越来越复杂，加工精度要求越来越高，对制造工艺提出了更高的要求。而且，在新一代航空发动机性能的提高中，制造技术与材料的贡献率为 50%~70%，在发动机减重方面，制造技术和材料的贡献率占70%~80%，这也充分表明先进的材料和工艺是航空发动机实现减重、增效、改善性能的关键。 1 航空发动机的材料、结构及工艺特点 在提高发动机可靠性和维护性的同时，为了提高发动机的推力和推重比，航空发动机普遍采用轻量化、整体化结构，如整体叶盘、叶环结构。钛合金、镍基高温合金，以及比强度高、比模量大、抗疲劳性能好的树脂基复合材 先进航空发动机关键制造技术研究 黄维，黄春峰，王永明，陈建民 （中国燃气涡轮研究院，四川 江油 621703） Key manufacturing technology research of advanced aero-engine HUANG Wei ，HUANG Chun-feng ，WANG Yong-ming ，CHEN Jian-min （China Gas Turbine Establishment ，Jiangyou 621703，China ） Abstract ：This paper describes the features of aero-engine material ，structure and technology ，and then ，development status and trend of key manufacturing technology for advanced aero-engine was analyzed. Finally ，the development of advanced aero-engine manufacturing technology in China is introduced and some proposals are put forward. Key Words ： aero-engine ，manufacturing ，summarization 作者简介： 黄维（1982—），男，四川仁寿人，中国燃气涡轮研究院助理工程师，主要从事工艺技术研究。E-mail ：huangwei611@https://www.doczj.com/doc/e31198548.html,
航空航天先进复合材料现状 2014-08-10 Lb23742 摘要:回顾了树脂基复合材料的发展史;综述了先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性;复合材料使用的增强纤维;国防、军工及航空航天用树脂基复合材料;用于固体发动机壳体的树脂基体;用于固体发动机喷管的耐热树脂基体;火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体;树脂基结构复合材料;防弹结构复合材料;先进战斗机用复合材料;树脂基体;航天器用外热防护涂层材料;飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料;碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用;民用大飞机复合材料;国产大飞机的软肋还是技术问题;复合材料之惑。 关键词:树脂基体;复合材料;国防;军工;航空航天;结构复合材料 0 前言 复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升。 环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。它与高性能纤维:PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题 1 树脂基复合材料的发展史 树脂基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。 树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料(Sheet Molding Compound, 简称SMC)在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、
第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
航空航天复合材料结构设计要求的比较 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%~30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4·6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24·3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复合材料的应用减重最明显。这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。 由于航天与航空的使用环境和应用范围存在区别，因而造成复合
材料在航空飞行器与航天飞行器上使用的设计要求也有很多不同之处。而且由于任务目标和使用环境差异，飞机结构的要求不能直接作为空间飞行器的结构设计要求。空间飞行器的飞行环境和承受的载荷很特殊，并且几乎没有可能再去检查和维修航天器的结构或在其任务条件下验证其结构的性能。因此，空间飞行器复合结构设计必须比飞机复合材料结构设计更加稳定可靠。虽然如此，飞机行业的复合材料结构设计方面的经验仍然可以为航天器的复合材料结构设计提供一定的参考和借鉴。 航空和航天复合材料结构设计要求具体在哪些方面存在差异呢？ 第一点是两者的生成规模差别很大。航空产品通常进行大规模生产，不仅整机生产数量多，而且因为需要维修等等，这样更换损坏的零件同样数量巨大；而航天产品则大多生产较少。因此在结构设计时，航空产品对结构设计时需要对加工工艺等配套设施进行细致的考虑，以达到成本、周期。效益的均衡，而航天结构设计则大多不需要考虑。同时生产数量的差异也使后续的设计工作产生了很大不同。 第二点是初始设计要求。飞机工业需要通过测试数量庞大的样本总结设计出一套模块建立的方法。但航天器的生产数量很有限，因此用于航空专业的样本采集到模块建立的方法，要想应用于航天器，从成本和进度的角度来看，是不切实际的。 第三点是强度要求。在航空和航天器中，对于强度的要求二者是一致的，但因工作环境不同存在一定的区别。航空和航天器复合材料
复合材料的发展及应用 随着科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高,越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已不能满足实际需要。这时候复合材料就出现在了这百家争鸣的舞台上。 基本概论 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。此定义来自ISO。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。从上述定义中可以看出，复合材料是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。所以我们可根据增强材料与基体材料的名称来给复合材料命名，增强基体复合材料。如：玻璃钎维环氧树脂复合材料，可写作玻璃/环氧复合材 料。 分类与性能 按增强材料形态分类可分为（1）连续纤维复合材料；（2）短纤维复合材料；（3）粒状填料复合材料；（4）编织复合材料。按增强纤维种类分类可分为（1)玻璃纤维复合材料；（2）碳纤维复合材料；（3）有机，金属，陶瓷纤维复合材料。在此篇文章中主要讨论以基体材料分类的几种复合材料。1.聚合物基复合材料——比强度，比模量大；耐疲劳性好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能性；
有很好的加工工艺性。2金属基复合材料——高比强度，高比模量；导热，导电性能；热膨胀系数小，尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮，不老化，气密性好。此外还有陶瓷，水泥基复合材料，都有与上类似的特点。 基体材料 一：金属材料 选择基体的原则：使用要求，组成特点，基体金属与增强物的相 容性。 结构复合材料的基体：450℃以下的轻金属基体（“铝基和镁基”用于航天飞机，人造卫星，空间站，汽车发动机零件，刹车盘等）；450-700℃的复合材料的金属基体（“钛合金”用于航天发动机）；1000℃以上的高温复合材料的金属基体（“镍基，铁基耐热合金和金属间化合物”用于燃气轮机）。 二：陶瓷材料 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量的电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性，抗老化性皆佳。常用的陶瓷基体主要包括玻璃（无机材料高温烧结），玻璃陶瓷，氧化物陶瓷（MgO，Al2O3，SiO2，莫来石等），非氧化物陶瓷（氮化物，碳化物，硼化物和硅化物等）。 三：聚合物材料
航空发动机制造技术专业简介 专业代码560603 专业名称航空发动机制造技术 基本修业年限三年 培养目标 本专业培养德、智、体、美全面发展，具有良好职业道德和人文素养，掌握航空发动机制造技术、精密加工、特种加工和航空发动机工艺装备等基本知识，具备精密加工、超精加工、特种加工工艺参数选择和航空零部件工艺装备制造的能力，以及数控加工工艺规程的编制和数控加工程序的编制的能力，从事数控机床操作、数控电加工机床操作、数控编程、机械加工工艺等工作的高素质技术技能人才。 就业面向 主要面向航空发动机研发、制造企业，在数控机床操作、数控电加工机床操作、机械加工工艺等岗位群，从事工艺装备的制造、精密机床和特种加工设备的操作（包括电火花成型机床、线切割机床、电化学加工机床、激光加工机床和快速成型机床）等工作。 主要职业能力 1.具备对新知识、新技能的学习能力和创新创业能力； 2.具备航空零件识图能力和计算机绘图能力； 3.具备材料选用与热处理方法选择能力； 4.具备数控编程和操作数控机床加工航空零部件的能力； 5.具备对航空发动机零部件进行测绘的能力，具备 CAD/CAM 软件应用能力； 6.具备精密加工、超精加工、特种加工工艺参数选择能力； 7.具备操作数控电加工机床加工机械零件的能力。
核心课程与实习实训 1.核心课程 包括机械制造工艺与机床夹具、金属切削与机床、数控特种加工概述、数控电火花加工、数控电火花线切割加工、先进制造技术、航空发动机制造新技术等。 2.实习实训 在校内进行数控机床操作、数控电加工机床、UG 制图员培训、数控手工编程等实训。在航空发动机研发、制造企业进行实习。 职业资格证书举例 机修钳工制图员数控设备装调维修工数控线切割操作工数控电加工机床操作工 衔接中职专业举例 飞机维修机械加工技术 接续本科专业举例 无
复合材料在航天航空领域的应用现状与展望 摘要现代飞机和卫星的制造材料应具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，先进复合材料的独有性能使它成为制造卫星和飞机的理想材料。本文重点介绍了我国航天用符合材料的研究情况，并展望了今后的发展趋势。 关键词复合材料；航空航天；应用现状；发展趋势 Prospect and Application of Composites in Aviation and Aerospace Abstract Nowadays, the material of producing planes and satellites should be light, strong and should resist high temperature, corrosion and so on. Because of the unique peculiarities, advanced composites become the ideal material of producing planes and satellites. In this paper, the present status and prospect of applied research on composite materials for aero-space application in China are given. Key words composites; aviation and aerospace ; application and development; development trends
原来航空发动机的这些部位都应用了树脂基复合材料！ 核心提示大型客机的发展是新一代商用航空发动机技 术不断发展的动力，在性能、涵道比、耗油率、制造与维护成本、噪声、长寿命等方面都对新一代航空发动机提出了更高的要求。这也导致国际民用航空发动机市场竞争日趋激烈，航空发动机领域技术发展也愈加迅速。世界航空发动机OEM巨头GE、RR、PW为保持各自市场份额，维持其霸主地位，分别加快推进新一代民用航空发动机研制步伐。以GEnx、PW1000G、Leap-X、Trent1000等为代表的新型大涵道比民用涡扇航空发动机为应对市场发展的挑战，均采用了多项新技术、新材料，以保证其产品的高性能、良好经济性、高可靠性和环保性，这在客观上也为未来大涵道比民用涡扇航空发动机的技术发展确立了新的标准和发展方向，也可以说是为民用涡扇航空发动机设立了新的更高的准入门槛。在不改变目前涡扇航空发动机结构布局的前提下，新材料的应用和新的结构方案是实现航空发动机先进性的重要技术手段。树脂基复合材料以其具有高比强度、比模量、抗疲劳、耐腐蚀、具有可设计性、材料/设计/制造一体性、低成本等一系列优点，已经成为航空发动机设计与制造商所青睐的高性能冷端部件的重要候选材料，并逐渐开始在航空发动机冷端部件、短舱和反推部件上得到应用。什么是树脂基复合材
料树脂基复合材料是以树脂材料为基体、高性能连续纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新材料。目前广泛应用的树脂主要包括环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂，增强纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维，工程上更习惯将碳纤维增强复合材料称为先进树脂基复合材料。 发展历程 树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代，经过60余年的发展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力进行树脂基复合材料研发，取得了很大进展，已经将其工程化应用到现役航空涡扇发动机，并且还有进一步扩大应用量的趋势。 树脂基复合材料在航空发动机上的应用部位树脂基复合材 料的服役温度一般不超过350℃。因此，树脂基复合材料主要应用于航空发动机的冷端。树脂基复合材料在国外先进航空发动机上的主要应用部位如图1所示。 图1 树脂基复合材料在国外先进航空发动机冷端上的主要应用部位风扇叶片发动机风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。据统计，风扇段质量约占发动机总质量的30%～35%，降低风扇段质量是降低发动机质量和提高发动机效率的关键手段，采用更大、更轻的风扇叶片已成为发动机的发展趋势。风扇
复合材料的发展和应用的论文 全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商ppg公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国gdp增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达万吨，汽车等领域的用量仅为万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。 另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。 树脂基复合材料的增强材料 树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。 1、玻璃纤维 目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃
先进航空发动机关键制造技术发展现状与趋势 一、轻量化、整体化新型冷却结构件制造技术1 整体叶盘制造技术整体叶盘是新一代航空发动机实现结构创新与 技术跨越的关键部件，通过将传统结构的叶片和轮盘设计成整体结构，省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，结构重量减轻、零件数减少，避免了榫头的气流损失，使发动机整体结构大为简化，推重比和可靠性明显提高。在第四代战斗机的动力装置推重比10 发动机F119 和EJ200上，风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，使发动机重量减轻20%~30%，效率提高5%~10%，零件数量减少50% 以上。目前，整体叶盘的制造方法主要有：电子束焊接法；扩散连接法；线性摩擦焊接法；五坐标数控铣削加工或电解加工法；锻接法；热等静压法等。在未来推重比15~20 的高性能发动机上，如欧洲未来推重比15~20 的发动机和美国的IHPTET 计划中的推重比20的发动机，将采用效果更好的SiC 陶瓷基复合材料或抗氧化的C/C 复合材料制造整体涡轮叶盘。2 整体叶环（无盘转子）制造技术如果将整体叶盘中的轮盘部分去掉，就成为整体叶环，零件的重量将进一步降低。在推重比15~20 高性能发动机上的压气机拟采用整体叶环，由于采用密度较小的复合材料制造，叶片减轻，可以直接固定在承力环上，从而取消了轮盘，使结构质量减轻70%。目前正
在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅长纤维增强的钛基复合材料制造的。推重比15~20 高性能发动机，如美国XTX16/1A 变循环发动机的核心机第3、4 级压气机为整体叶环转子结构。该整体叶环转子及其间的隔环采用TiMC 金属基复合材料制造。英、法、德研制了TiMMC 叶环，用于改进EJ200的3级风扇、高压压气机和涡轮。3 大小叶片转子制造技术大小叶片转子技术是整体叶盘的特例，即在整体叶盘全弦长叶片通道后部中间增加一组分流小叶片，此分流小叶片具有大大提高轴流压气机叶片级增压比和减少气流引起的振动等特点，是使轴流压气机级增压比达到3 或3 以上的有发展潜力的技术。4 发动机机匣制造技术在新一代航空发动机上有很多机匣，如进气道机匣、外涵机匣、风扇机匣、压气机机匣、燃烧室机匣、涡轮机匣等，由于各机匣在发动机上的部位不同，其工作温度差别很大，各机匣的选材也不同，分别为树脂基复合材料、铁合金、高温合金。树脂基复合材料已广泛用于高性能发动机的低温部件，如F119 发动机的进气道机匣、外涵道筒体、中介机匣。至今成功应用的树脂基复合材料有PMR-15（热固性聚酰亚胺）及其发展型、Avimid（热固性聚酰亚胺）AFR700 等，最高耐热温度为290℃~371℃，2020 年前的目标是研制出在425℃温度下仍具有热稳定性的新型树脂基复合材料。树脂基复合材料构件的制造技术是集自动铺带技术（ATL）、自动纤维铺放