基于形态学的自动铺丝纤维铺放准确性检测

自动铺丝质量检查既耗时又不充分,缺陷对比度低。对此,根据铺丝过程中的热特性,搭建丝束铺放准确性检测平台,结合形态学算法对缺陷红外图像特征进行纤维铺放准确性检测。首先进行形状相同尺度不同的结构元素的顶帽变换,然后提取每一组尺度下多尺度亮暗区域和相邻组尺度间的多尺度亮暗细节来增强图像;其次使用了多方向多尺度的结构元素和系数自调节的形态学边缘检测算法来获得丝束边缘位置。实验结果表明,该方法在减少图像噪声和增强图像的对比度之上平衡了边缘检测精度与抗噪性能之间的协调问题,有效检测了纤维铺放准确性,最大铺放误差不超过4.53%。

变厚度帽型长桁加筋壁板自动铺丝工艺成形技术研究

针对帽型长桁加筋壁板的自动铺丝工艺成形技术进行了研究,并提出了帽型长桁加筋壁板各工序的关键工艺参数,通过研究自动铺丝设备的结构设计和控制系统设计,探究了帽型长桁加筋壁板的自动铺丝成形工艺,明确了自动铺丝间隙控制和工艺参数设计的基础,为帽型长桁加筋壁板的自动铺丝工艺成形技术的研究形成了一定的技术积累,具有较好的应用前景和经济效益。

先进复合材料自动铺丝设备研究现状与发展趋势

先进的复合材料由于其高比强度、比模量、大幅减重和良好的耐腐蚀性,已被广泛用于航空航天工业及其他领域。自动铺丝机是实现自动铺丝的必要设备,是影响铺放质量和生产效率的重要环节。因此,研发和改进自动铺丝机,成为制造复合材料复杂构件的最关键的课题之一。本文针对近年来国内外的自动铺丝设备,重点围绕铺丝机机床主体结构、纱架形式、铺丝头压力系统、加热系统与张力系统等方面,对当前自动铺丝机的研究与应用现状进行论述与分析,总结了国内外自动铺丝设备的研究成果,分析了国内外铺丝设备的优势与不足,最后探讨并总结了自动铺丝设备未来的发展趋势,为铺丝机的设计与优化提供了一个参考方向。

自动铺丝压实力导纳控制器设计与参数优化方法

铺放压实力是连续纤维复合材料结构自动铺放成型的关键工艺参数之一。由于多数铺丝设备刚性高且位控精度不足,往往容易导致压实力波动较大,严重影响成型质量。因此,面向纤维预浸料自动铺放成型过程中压实力的柔顺控制要求,构建铺丝设备压实机构与成型模具间的二阶等效模型,设计一种基于导纳控制原理的铺放压实力控制器,采用烟花群体智能算法对控制器的惯性参数、阻尼参数及刚度参数进行优化求解,并通过建模仿真与铺放试验验证铺放压实力导纳控制器的有效性。

基于点云曲面的定角度自动铺丝路径规划

研究了点云曲面自动铺丝路径规划,提出了使用移动最小二乘投影法投影初始路径的直接投影法。对点云切片法加以改进,提出了点云投影切片法。利用三次B样条插值算法拟合投影点生成初始路径,并提出弦长细分投影的等距偏移算法。针对偏移路径无法到达曲面边界的问题,提出基于路径样条线末端延伸的边界处理方法。最后通过CATIA的逆向工程模块实现了算法的可视化,建立了三维建模软件与路径规划算法的系统关系。

自动铺丝技术在飞机整体机身壁板上的应用研究

飞机中的复合材料用量已经成为衡量飞机先进性的重要指标之一。随着飞机吨位的增大、复合材料制造技术的快速发展,飞机复材制件向着大型化、整体化、自动化的方向迈进,依靠传统的手工铺贴方式已难以满足零件日益增长的技术、质量需求。本文论述了当前复合材料构件纤维自动铺丝技术制造现状及发展前景,并对复合材料构件自动铺丝技术在某型号飞机整体机身壁板零件上的应用情况进行了具体介绍。根据整体机身桶段的结构特点,分析了各个角度的轨迹规划方法,并对轨迹的工艺性和方向性进行了研究。通过有限元模拟与铺放实验确定了铺丝工艺参数,最终实现了整体机身桶段蒙皮的铺丝成型。

不同自动铺丝工艺参数对T800级碳纤维/环氧复合材料孔隙率的影响研究

采用T800级碳纤维/环氧树脂单向带铺丝预浸料,使用自动铺丝工艺制备不同厚度的试验层板,探究固化压力、层板厚度及尺寸、自动铺丝压紧力等各项参数对孔隙率及孔隙分布的影响,采用超声C扫描表征复合材料层板孔隙率区间。研究表明,当固化压力降至某临界点后,孔隙率呈现先快速增加又逐渐减慢增加的趋势;厚铺层的层板的孔隙率高于较薄铺层的层板,靠近中间及底部铺层位置的孔隙较多;尺寸较大的层板,高孔隙率的区域相对集中分布在靠近层板中间的位置,且孔隙率区间较大;固化压力较小时,采用小压紧力铺丝的层板会形成更高的孔隙率;对于大型复杂的复材结构件来说,不同的铺丝工艺参数对孔隙率的影响也具有上述趋势。

自动铺丝技术在大尺寸复合材料壁板上的应用研究

为实现大尺寸壁板铺丝技术的工程化应用,首先对国产高强中模热固性T800级单向带预浸料进行自动铺丝工艺参数及转弯半径获取实验,基于响应曲面法、最大黏接力原则确定该材料自动铺丝工艺参数窗口,以工艺规范作为评价标准,进行转弯半径铺丝实验,获取该材料最小转弯半径。其次,使用TORFIBER轨迹规划与仿真软件对大尺寸壁板零件进行铺丝轨迹规划,结合零件结构特征和材料特点,筛选最佳铺丝轨迹生成算法,对生成的铺丝路径进行局部优化调整以提高铺丝质量;最后,基于材料铺丝工艺参数窗口,使用M. TORRES龙门式铺丝机完成了零件的铺丝制造,零件铺丝后表面质量、固化后内部无损质量满足设计指标要求。

自动铺丝技术对复合材料层压板厚度的影响

自动铺丝技术是碳纤维复合材料自动化专业领域的新兴制造技术,与传统手工铺叠制造工艺相比,自动铺丝会产生丝束间隙和丝束切断形成的三角区问题,影响复合材料层压板的厚度。手工铺叠复合材料层压板采用幅宽1000.00mm、牌号为ZT7H/QY9611的预浸料,自动铺丝技术采用幅宽6.35mm、牌号相同的预浸料。通过对比实验,发现自动铺丝复合材料层压板单层厚度小于手工铺叠单层厚度,自动铺丝和手工铺叠的单层厚度均小于理论厚度0.1380mm, 2种工艺制备的复合材料层压板单层厚度在0.1358~0.1365mm之间。自动铺丝技术的丝束是通过切割刀片闸断,纤维角度为±45°时,在小铺层上复合材料蒙皮壁板类零件的轮廓边缘区域,由丝束闸断形成的三角区其铺层轮廓线±4.5mm内是厚度渐变区域,不应设计装配连接区域,工艺检验时须适当放宽三角区厚度控制精度要求和成型质量要求。

大尺寸变截面翼梁的自动铺丝成型

机翼翼梁是飞机的主承力构件,为了保证其成型质量和生产效率,需要采用自动化成型方式进行翼梁构件的生产制造。本文对目前翼梁成型方法的应用及研究现状进行了介绍,根据大尺寸变截面翼梁(长度大于10 m)的结构特点,研究了复合材料翼梁的自动铺丝成型技术。以M.TORRES龙门铺丝机为铺放平台,提出了翼梁的自动铺丝成型要点,确定了各个角度铺层的轨迹规划方法,结合轨迹规划情况,给出了翼梁的铺丝成型轨迹完善处理方案。最后,通过大尺寸复合材料翼梁的自动铺丝成型制造,验证了轨迹规划方法和轨迹处理方案的可行性与正确性,为国内自动铺丝技术在大尺寸复合材料翼梁成型上的应用提供参考。

民机复合材料自动铺丝液体成型工艺过程若干数字孪生关键技术探讨

基于数字孪生的概念和原理,针对当前具有广阔发展前景的民机复合材料构件制造技术——复合材料自动铺丝液体成型工艺(Automatic fiber placement based liquid composite molding,AFP–LCM)进行了研究。通过对复合材料自动铺丝液体成型工艺关键环节的梳理分析,阐述了建立面向民机复合材料构件制造数字孪生体亟待解决的若干关键技术与思路,提出了一种基于数字孪生的民机复合材料结构制造技术体系架构,并从技术层面和政策层面探讨了该技术落地所面临的关键问题,为数字孪生技术在民机复合材料制造领域深入实践提供策略。

自动铺丝路径对复合材料机身“L”形角片的质量影响分析

自动铺丝是实现复合材料机身角片自动化制造的一种重要工艺方法。路径规划是自动铺丝过程中的关键因素,铺丝路径会影响该类零件在自动铺丝过程中的纤维角度偏差、覆盖性及铺放效率等。本文对树脂基复合材料机身角片的铺丝路径作两种设计及分析,对固化后零件质量进行分析,探索铺丝路径对零件质量的影响。结果表明:对于该零件的自动铺丝,搭接-间隙铺丝路径的纤维角度偏差优于完全间隙铺丝路径的纤维角度偏差,但其覆盖性和铺放效率比完全间隙铺丝路径的差。当使用自动铺丝铺放、单侧模具固化时,这两种铺丝路径会对零件的外观及厚度产生不同程度的影响。

基于干涉检测的复杂进气道自动铺丝可行性研究

飞机进气道采用基于自动铺丝工艺的复合材料整体成型方案,为分析进气道型面自动铺丝的可行性,对进气道型面与铺丝头的干涉问题进行了研究。首先,以进气道型面网格化的STL文件为对象,并结合铺丝头的边界条件,开发了基于VC++6.0的干涉检测计算程序,获得了型面上干涉区域的位置,并以点云进行标识。然后,在CATIA下对标识的干涉区域进行铺丝头外形轮廓的建模,并在Vericut仿真软件下对进气道型面进行自动铺丝运动仿真,验证了型面上标识的干涉区域的正确性。最后,将标识过干涉区域的进气道型面反馈给设计进行型面修正,获得了满足自动铺丝条件的进气道型面。

复合材料管状结构自动铺丝路径算法

以母线为基础分段拟合生成铺丝路径.首先根据管状构件特点构造关键控制母线,通过插值生成所有母线作为铺丝参考路径,再采用与母线固定角度铺丝方法生成所有路径;然后讨论了对路径交叉和间隔情况的处理,并给出了铺丝精度控制策略;最后利用CATIA V5R14及其二次开发环境实现了铺丝算法,并通过飞机S型进气道的应用,验证了该算法的正确性与有效性.

自动铺丝平行等距轨迹规划算法实现

针对复合材料自动铺丝技术轨迹规划问题,提出了一种新的基于测地线的平行等距轨迹规划算法.该算法首先将已知的第一条轨迹线在曲面上等弧长离散得到若干数据点,然后在数据点处曲线切矢和曲面法矢的向量积方向上利用测地线的短程性获得下一条铺放轨迹上数据点,并利用B样条曲线拟和数据点生成铺放轨迹,最后使轨迹线铺满模具表面.算法中测地线利用微分方程组数值求解得到,以曲面曲线弧长为自变量,可实现等距线求解的自适应步长调整和较高的精度.经实际算例验证,该算法简单实用,精度能够满足铺丝技术工艺要求.

锥壳零件自动铺丝变角度轨迹规划算法

基于自动铺丝设备具有可灵活操作的铺放头及铺放所采用的预浸纤维丝宽度窄等特点,提出一种新型的铺层成型算法——变角度丝束铺放,其具有无间隙和无重叠的特点.以锥壳零件为例,首先建立此类零件几何特征的数学模型,推导出锥壳零件上任意轨迹的数学方程;然后提出变角度铺层的成型原理及方法,建立变角度轨迹规划算法的数学模型并推导出锥壳零件上任意变角度铺放路径及路径曲率的数学方程,再结合自动铺丝设备及预浸丝束自身特点对变角度铺层的可铺性进行分析.最后通过仿真实验对文中算法进行了验证.

自动铺丝用预浸丝制备工艺研究

针对预浸料特点,提出平刀与圆刀2种分切刀具形式。以分切预浸丝束宽度与边缘质量为评价标准,对比了2种刀具形式对预浸料的分切质量,研究了刀具形式、工艺参数对分切质量的影响。结果显示,由于平刀刀片薄,弯曲模量低,易发生弯曲变形,所得预浸丝束宽度稳定性差;同时,由于刃口始终固定、散热性能差,分切过程中刃口处容易发生树脂堆积,使刀片钝化,影响丝束边缘质量,无法实现对预浸料进行高质量连续式分切。而圆刀分切时,由于刀片旋转,刃口不断变化;独特的刀具形式,降低了刀片在分切过程中的侧向移动,使得圆刀分切能够获得宽度均匀,边缘质量良好的自动铺丝用预浸丝束。

自动铺丝过程中预浸料的侧向弯曲

根据自动铺丝过程中预浸料的受力特点,建立预浸料的侧向弯曲变形模型。利用最小势能原理、瑞利-利兹法以及相关的复合材料力学理论,推导出预浸料侧向屈曲半径公式。研究自动铺丝温度、压力、速度、黏附力等主要工艺参数对侧向弯曲性能的影响,并用自动铺丝机铺放不同半径的预浸料圆弧进行验证。结果表明:随着温度增大、压力和速度减小,预浸料的侧向弯曲性能提高;增加预浸料黏附力可显著提高其侧向弯曲性能,符合理论分析结果。

复合材料构架式卫星接头自动铺丝成型仿真研究

在七轴自动铺丝机器人加工单元上以构架式卫星接头为对象研究了自动铺丝的加工成形仿真,设计了接头的形状和自动铺丝基本线型;根据D H法建立机器人的各坐标系,应用OpenGL编程接口和VisualC++集成开发环境,设计了0°、90°和±45°三个角度的仿真模块,开发了包括芯模设计、铺丝线型仿真和七轴机器人成形运动仿真等功能的SimJoint系统软件;为深入研究自动铺丝技术提供了一个基本研究平台。

给定点纤维方向的自动铺丝轨迹规划算法

为实现复杂曲面外形的大型复合材料构件的自动化成形制造,根据结构设计要求,按照给定点的纤维方向,提出了利用最小二乘法构造铺丝角度(方向)分布函数、通过变角度铺放使得纤维方向满足铺丝角度(方向)分布函数的轨迹规划方法。根据生成的铺丝轨迹,通过覆盖性分析判断丝束增减,并利用组件应用框架技术开发了相应的软件模块。通过某飞机尾段整体铺丝仿真试验对算法进行了验证,结果表明该算法能够满足结构设计纤维方向要求。