自动铺丝技术及其在飞机复合材料构件制造中的应用

新视点NEW VIEWPOINT64航空制造技术２００６年第３期目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在２０世纪９０年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。

随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。

本文在介绍国外复合材料在飞机上广泛应用的基础上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。

从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。

下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。

（１）　复合材料在飞机上的用量日益增多。

复合材料在飞机上的应用评述北京航空航天大学机械工程及自动化学院 张丽华 范玉青复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增长趋势。

最具代表意义的是空客公司的Ａ３８０客机和波音公司最新推出的７８７客机。

在Ａ３８０上仅碳纤维复合材料的用量就达３２ｔ左右，占结构总重的１５％，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达２５％左右。

７８７上初步估计复合材料用量可达５０％，远远超过了Ａ３８０。

另外，复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势。

（２）　应用部位由次承力结构向主承力结构过渡。

飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结构，目前已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。

从１９８２年开始用复合材料制造飞行操纵面（如Ａ３１０－２００飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材料已有２０多年的经验。

在Ａ３８０上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。

复合材料自动铺丝技术研究进展The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites摘要：复合材料自动铺丝技术是在航空航天工业发展起来的一种“低成本，高性能”的先进复合材料自动化制造技术。

自动铺丝技术在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的高度重视。

本文对自动铺丝的原理、特点、CAD/CAM核心技术以及自动铺丝技术的国内外发展历程与应用进行了全面的介绍，最后展望了自动铺丝的发展前景。

关键词：复合材料，自动铺丝，CAD/CAMAbstract：Automated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced. Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing costs, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries. In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement is fully discussed. Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM1.引言复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料[1]。

自动铺带技术与大飞机复合材料结构目前，飞机上的复合材料使用量已经成为衡量其先进性的重要标准。

波音787、空客A380飞机都大量采用复合材料，空客A350上复合材料的用量更超过50%。

作为中国拥有完全知识产权的大型民用客机项目，为了保证其客机的市场竞争力并促进国内复合材料产业的发展，也必将大量采用先进复合材料。

而自动铺带技术则是使用复合材料的关键技术之一。

先进复合材料的历史先进复合材料是20世纪60年代早期以单向带的形式推出的。

起初用手工铺贴，其工艺是劳动密集型的，容易引起质量问题。

20世纪60年代中期，航空工业的发展极大地推动了其自动化进程。

早期的设备是航空公司或加工车间在材料供应商的指导下自己制造的。

设备的构型涵盖了从手工辅助台式的原型机到由美国空军牵头、通用动力和Conrac公司合作研发的第一台全数控龙门式铺带机。

这台设备被用来为F-16生产复合材料零件，使用的是75mm 宽的带子。

20世纪70年代末期至80年代初，设备制造者生产了第一台商业化的平面和曲面数控铺带机，这些设备被用在军事项目上（如B-1和B-2轰炸机）制造飞机的零件。

曲面上带宽范围为75～150mm，平面可以高达300mm。

20世纪80年代末期，自动铺带开始广泛的使用于商用飞机上。

整个20世纪90年代，设备、编程技术、铺带技术和ATL复合材料的进一步发展使铺带工艺操作更简单、性能更可靠、界面更友好。

复合材料工艺综述单向碳环氧预浸带是在衬纸上成卷供应的，典型的宽度有75mm、150mm和300mm三种规格。

曲面应用使用75mm和150mm带宽，平面应用使用150mm和300mm带宽。

材料卷被装载在铺带的头部。

铺带头在平面应用时被安放在4轴台架上，曲面应用时安放在5轴台架上。

1 优点碳环氧预浸带极大地减少了手工铺层。

在平面装料的情况下，相对于手工铺贴，碳环氧预浸带可以减少的人工劳动时间高达70%～85%，铺层效率可以高达1000kg/周。

复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用摘要：随着科技的发展和工业制造的进步，复合材料在航空、汽车、船舶等领域的应用越来越广泛。

本文设计了一款复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件，并探讨了该软件在航空领域的应用案例。

软件具备自动优化铺丝路径的功能，提高了铺丝效率和质量，为航空工程师和设计师提供了便利。

关键词：复合材料；自动铺丝；计算机辅助设计；软件1. 引言复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛，因为它具有高强度、轻质和耐腐蚀性等优点。

在飞机制造过程中，铺丝是一项重要的工艺，在复材的制造过程中扮演着至关重要的角色。

然而，传统的手工铺丝方式效率低下，无法满足大规模生产的需求。

因此，本文将设计一款复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件，旨在提高铺丝效率和质量，为航空工程师和设计师提供便利。

2. 设计方法本软件采用了自适应遗传算法和机器学习方法。

首先，通过遗传算法对铺丝路径进行优化。

遗传算法模拟了自然界中的生物进化过程，通过选择、交叉和变异的操作，不断优化铺丝路径。

然后，通过机器学习算法，提高铺丝的准确性。

机器学习模型通过学习大量的铺丝数据，提高了软件的智能化程度。

3. 软件功能本软件具有以下主要功能：(1) 自动铺丝路径生成：根据设计要求和复材的特性，软件能够自动生成最优的铺丝路径，提高铺丝效率和质量。

(2) 工艺模拟：软件能够模拟复材的不同特性和材料的变化情况，为工程师提供了参考和决策依据。

(3) 优化算法：软件采用了自适应遗传算法，能够自动优化铺丝路径，提高了铺丝效率。

(4) 界面友好：软件界面简洁直观，易于操作和使用。

4. 应用案例本软件已成功应用于某型号客机的复合材料铺丝工艺中。

航空工程师使用该软件生成了最优的铺丝路径，并对路径进行了仿真模拟。

通过软件的帮助，工程师发现了一些潜在的问题并进行了修正，确保了复材在飞行过程中的安全性和稳定性。

5. 结果与讨论与传统的手工铺丝相比，本软件在铺丝效率和质量上都取得了显著的改进。

自动铺带技术对复合材料构件性能的影响研究自动铺带技术是一种应用于复合材料制造工艺中的先进技术。

它通过使用机器人或自动化系统来精确地铺设纤维材料，从而实现复合材料构件的生产。

本文将探讨自动铺带技术对复合材料构件性能的影响，并分析其在强度、耐久性和成本等方面的优势。

首先，自动铺带技术在提高复合材料构件强度方面发挥着重要作用。

相比传统的手工铺设方法，自动铺带技术能够更准确地控制纤维材料的排布和分布密度。

这样一来，每一块纤维都能够按照设计要求被正确地定位和安装，从而最大程度地发挥复合材料的强度潜力。

此外，自动铺带技术还能够降低纤维布料的错位和重叠现象，提高纤维层间的粘结力，进一步增强了构件的强度。

其次，自动铺带技术对构件的耐久性有着显著影响。

由于自动铺带技术能够准确地控制纤维材料的排布，可以使纤维以最佳的角度和方式进行铺设。

这种定制化的铺设方式能够最大限度地提高构件的强度和刚度，并且减少因纤维排布不合理而引起的应力集中和构件疲劳的可能性。

此外，自动铺带技术还可以实现纤维材料在构件表面的无缝铺设，减少了结构中的潜在损伤点，从而提高了构件的耐久性和使用寿命。

另外，自动铺带技术在复合材料构件制造过程中具有显著的经济效益。

相比传统的手工铺设方法，自动铺带技术能够大大减少人力成本和生产周期。

通过机器人或自动化系统的精确控制，可以快速、高效地完成铺设工作，大大提高了生产效率。

此外，自动铺带技术还可以减少材料浪费，优化材料使用，降低了制造成本。

这一系列的经济优势使得自动铺带技术在复合材料构件的大规模生产中具有巨大的潜力和应用前景。

除了上述优势，自动铺带技术还具有一些辅助性的影响。

例如，自动铺带技术能够实现对纤维材料的自动切割和粘接，减少了人工操作的繁琐程度，提高了生产效率。

同时，自动铺带技术还能够在铺设过程中实时监测和调节纤维材料的张力和排布，避免了因人为因素引起的误差，提高了构件的一致性和准确性。

这些辅助性的特点进一步加强了自动铺带技术在复合材料构件制造领域的竞争力和应用优势。

新型复合材料在飞行器制造中的应用研究在现代航空航天领域，飞行器的性能和质量要求不断提高，新型复合材料因其出色的性能特点，在飞行器制造中扮演着日益重要的角色。

这些材料不仅能够减轻飞行器的重量，提高燃油效率，还能增强结构强度和耐久性，为飞行器的设计和制造带来了全新的可能性。

一、新型复合材料的种类及特点1、碳纤维增强复合材料（CFRP）碳纤维增强复合材料是由碳纤维与树脂基体复合而成。

碳纤维具有高强度、高模量的特点，而树脂基体则提供了良好的韧性和耐腐蚀性。

CFRP 的比强度和比模量远高于传统金属材料，使其在减轻飞行器结构重量方面表现出色。

同时，它还具有良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能，能够延长飞行器的使用寿命。

2、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）玻璃纤维增强复合材料由玻璃纤维和树脂基体组成。

虽然其性能不如碳纤维增强复合材料，但具有成本较低、加工性能好等优点。

在一些对性能要求不是特别高的飞行器部件中，如非承力结构件、内饰件等，GFRP 得到了广泛应用。

3、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）芳纶纤维具有优异的抗冲击性能和耐高温性能，与树脂基体复合后形成的 AFRP 在防弹、抗冲击防护等方面具有独特的优势。

在飞行器制造中，AFRP 常用于制造飞机的舱门、机翼前缘等部位，以提高飞行器的抗冲击能力和安全性。

4、陶瓷基复合材料（CMC）陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等优异性能，适用于飞行器的高温部件，如发动机热端部件、燃烧室等。

CMC 能够承受高温燃气的冲刷和腐蚀，提高发动机的工作效率和可靠性。

二、新型复合材料在飞行器结构中的应用1、机翼和机身结构新型复合材料在机翼和机身结构中的应用可以显著减轻重量，提高结构效率。

例如，波音 787 客机的机身结构大量采用了 CFRP，其重量比传统铝合金机身减轻了 20%左右，大大降低了燃油消耗。

同时，复合材料的可设计性使得机翼和机身的气动外形能够得到更精确的优化，提高了飞行器的飞行性能。

复合材料纤维铺放技术及其应用摘要：先进复合材料比传统材料具有诸多优点，例如轻质量、高强度、低密度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、设计制造一体化等等。

复合材料对减轻结构重量、提高经济性和可靠性具有不可替代的作用。

复合材料已经广泛应用于制造领域，尤其是航空航天领域，在航空航天设备上的用量和应用部位已经成为衡量航空航天器结构先进性的重要标志之一。

关键词：复合材料；纤维铺放技术；应用一、纤维铺放技术的成型原理和特点纤维铺放技术是树脂基复合材料制造技术中的一种，其工作原理是将连续的纤维丝束或纤维带通过预浸胶或树脂之后，按照设定好的路径铺放到芯模上，最后在一定温度下固化，制成所需形状的制品。

复合材料纤维铺放成型技术（Fiber placementFP）是自动窄带铺放成型技术（Automanted tep placement, ATP）和自动铺丝束成型技术（Automated tow placement, ATP）的总称。

纤维铺放技术的成型工艺是在纤维铺放机上将平行的纤维丝束或纤维带预浸处理，通过铺放头装置将预浸过的纤维束压到需要加工的工件或芯模表面。

纤维铺放与纤维缠绕和带铺放不同，它不是按照测地线在芯模或模具上布纱；纤维铺放可精确控制丝束宽度，且各丝束可单独铺放，通过切断、重续等工序控制铺放厚度的增减。

此外，纤维丝束是通过纤维铺放机上的铺放头压在模具上的，能保证铺放每一层紧密贴合避免出现分层现象。

总结纤维铺放技术的优点有:（1）通过铺丝头剪断丝束、重新开始等，可以对铺放厚度进行精确控制；（2）工艺过程中铺丝头可调节施加力，实时加压密实；（3）铺放精度高，不易出现孔隙；（4）纤维铺放角度可以调节，不受限制；（5）铺放材料利用率高，浪费少。

二、复合材料纤维铺放技术应用1.加热工艺研究。

在自动纤维铺放过程中，为提高铺放效率，通常设置预加热及主加热2 个加热环节。

在这2 个环节中，都会涉及到选择热源、建立加热模型及确定加热温度三方面的问题。

自动铺带技术在复合材料结构件制造中的应用案例分析引言复合材料作为一种重要的材料，在航空航天、汽车、船舶等领域中得到了广泛应用。

复合材料的制造过程对于最终产品的质量和性能至关重要。

其中，自动铺带技术作为一种高效、精确的制造方法，被广泛应用于复合材料结构件的生产。

本文将分析自动铺带技术在复合材料结构件制造中的应用案例，并通过实例探讨其优势和挑战。

1. 自动铺带技术简介自动铺带技术是一种将预浸料纤维布按照设计要求排列、覆盖在模具上的制造方法。

该技术主要包括铺带过程、固化过程和模具脱模过程。

铺带过程中，机器人根据CAD文件或数控编程指令精确控制铺带头的运动，将预浸料纤维布覆盖在模具上。

固化过程中，通过烘烤或加热使得预浸料纤维布固化成为强度和刚度较高的复合材料。

脱模过程中，复合材料从模具上剥离，并进行后续加工。

2. 自动铺带技术在飞机制造中的应用案例2.1 A380机身板制造欧洲航天防务集团（EADS）使用自动铺带技术制造A380机身板。

铺带机器人根据设计要求，精确控制铺带头和纤维布的运动，将预浸料铺到模具上。

该技术不仅提高了生产效率，还保证了复合材料结构件的质量和一致性。

同时，相比于传统的手工操作，自动铺带技术减少了人力成本和人为误差，提高了产品质量。

2.2 波音787机翼制造波音公司采用自动铺带技术制造787机翼。

自动铺带机器人可以精确控制铺带头的运动，并快速、准确地排列纤维布。

该技术不仅提高了工作效率，还避免了手工操作中可能产生的纤维布错位、损坏等问题。

通过自动铺带技术，波音公司实现了大规模、高质量的机翼制造，为航空业带来了突破性的创新。

3. 自动铺带技术的优势和挑战3.1 优势（1）高效准确：自动铺带技术可以实现高速而精确的铺带，提高了生产效率和产品质量。

（2）一致性和可重复性：机器人通过程序控制，可以确保每次铺带过程的一致性，减少了人为误差。

（3）节约成本：相比于传统的手工操作，自动铺带技术可以减少人力成本，并大幅提高生产效率。