热塑性复合材料纤维铺放技术研究进展

纤铺层间强度研究
       利用自动纤维铺放技术加工的复合材料构件，其基体材料的性能指标由加热工艺参数和冷却工艺参数共同决定；其整体性能指标还与铺层间强度有关，即与任意相邻两铺层熔合后所能达到的铺层间强度有关。铺层间强度受到两铺层间紧密接触程度、两铺层熔合时分子渗透距离及纤维铺放压力三方面因素的共同影响。

铺层间紧密接触度被定义为：在任意给定时间，两铺层接触面积占铺层面积总面积的百分比，与温度、压力、接触时间有关。由于表面粗糙度的原因，预浸丝或预浸带表面与铺层表面（或芯模表面）的微观几何形貌为不规则体，在未加热和未施加压力的条件下，预浸丝或预浸带表面与铺层表面（或芯模表面）不可能完全接触。为理论计算方便，国外研究人员首先将不规则的微观几何体简化成大小不同的矩形（指截面），然后再将上述矩形简化成大小相同的矩形。纤维铺放过程中，在加热到一定温度时，当压辊对预浸丝或预浸带施加一定的铺放压力后，预浸丝或预浸带与铺层表面（或芯模表面）的突起的矩形将发生变形，矩形高度将减小，宽度将增大，然后根据这一模型，建立计算铺放压力与铺层间紧密接触度之间的函数关系。将现行的粗糙度评价指标融入上述计算模型中，可显著提高实际应用的方便程度。图2为铺层表面微观几何形貌及简化模型示意图。

       铺层间熔合是指相邻两铺层表面，当加热到温度高于自身基体熔化温度时，并在一定的铺放压力作用下，会发生一铺层表面的分子向另一铺层扩散的现象。分子扩散的距离决定了铺层间强度，这与温度、压力与扩散时间有关。基于链的塌滑理论，研究人员分别对等温条件下与非等温条件下，热塑性聚合物的熔合模型进行了研究，建立铺层间强度与铺放温度、铺放压力之间的函数，找出熔合所需的最佳时间，为纤维铺放过程提供压辊压实的时间参数。
 在温度一定的条件下，铺层间的紧密接触度与铺层间熔合由铺放压力和施压时间来决定。研究人员对此建立了二维的可压缩的牛顿流体模型，对压辊及所接触铺层的压力场分布进行了较为深入的研究。此外，铺放压力还影响基体材料的孔隙率，目前所见文献，仅通过试验的对比进行了定性研究，定量研究未见报道。

纤维铺放轨迹规划算法研究

鉴于自动纤维带铺放主要用于加工形状简单的平板类或类平板类复合材料构件。这里所研究的纤维铺放轨迹规划算法主要针对自动纤维丝铺放而言。由于自动纤维丝铺放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，可用于加工形状复杂的自由曲面复合材料构件。

 目前，在实际生产中，应用最为广泛的是采用定角度纤维铺放所制造的0°铺层、45°铺层和90°铺层。基于上述铺层，针对不同形状的复合材料构件，国内研究人员提出了不同的轨迹规划算法。例如，针对自由曲面复合材料构件，研究了基于等距线、等分点原理的2 种轨迹规划算法；针对S 形进气道，在分析等铺放角法和等距偏置法2 种轨迹规划方法的基础上, 提出基于纤维带边缘曲线的轨迹规划方法及将等铺放角法和等距偏置法2 种轨迹规划方法相结合, 提出以曲线在曲面内等距偏置为核心的铺放轨迹优化方法。

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员提出了“变刚度”铺层铺放的概念，这类铺层刚度的变化是由于铺放角度的不断变化所导致的，针对变角度纤维铺放，他们研究了测地线方式、常曲率方式及角度线性变化方式的轨迹规划算法。自动铺带轨迹规划中采用的测地线算法，也可归为变角度纤维铺放。

针对不同类型的自由曲面复合材料构件，在纤维铺放过程中，如何避免或减少除构件边缘外的剪切和重送，是轨迹规划算法研究的一个主要出发点。因为复合材料构件铺层内部过多的剪切与重送，一方面会对复合材料构件的外形精度和各项性能产生影响，另一方面会使纤维铺放过程的复杂程度加剧，不利于生产效率的提高。由于轨迹规划算法直接影响所形成铺层的力学特性，满足铺层力学特性的需要，也是设计和研究轨迹规划算法的一个主要出发点。

目前，我们提出了一种新的变角度轨迹规划算法，可实现锥壳类零件、外壳类零件及变截面接头类零件的加工制造，如图3所示。变角度轨迹规划算法在上述零件的具体实现中，其最大优点是避免了除零件端面外的剪切与重送，可简化纤维铺放过程，提高加工效率。同时，改变初始铺放角，还可以改变零件的固有频率，对改善整体系统的共振，具有一定的作用。

铺层特性研究

 铺层特性研究主要针对复合材料构件在不同的工况条件下，对其进行静力学分析或动态响应分析，通过分析结果，对铺层进行优化，以得到满足设计要求的铺层为最终目标。

 纤维的变角度铺放是一种新型的轨迹规划算法，此算法可增大复合材料构件铺层设计的灵活性，充分利用复合材料的方向特性来满足设计要求。目前，国外研究人员主要针对这种变角度铺层进行深入研究。首先，针对变角度铺放制造的平板、类平板或平板上带孔结构，进行了静力学分析，研究了在拉伸载荷作用下，这类结构的承载能力，结合分析结果，对铺层角进行优化，优化后的铺层，较传统定角度铺放制造的铺层，各项性能指标都有明显的提高。其次，针对变角度铺放制造的圆柱壳和圆锥壳，重点研究了铺放角对其固有频率的影响。通过改变纤维铺放角，可改变壳体的固有频率，在实际应用中，对避免整体系统的共振具有积极的意义。

国内对于变角度铺层结构的研究较少。从发表的文献来看，国内学者对于变角度铺层结构的研究基本处于起步阶段。目前，国内的研究重点仍集中在固定角度直线铺层力学特性的分析上，通过改变纤维铺放角的固定角度及改变不同角度值铺层之间的层叠顺序来提高铺层的力学特性；并且这类研究主要针对平板或平板带孔类结构，对壳体类结构的研究较少。
 

铺层特性研究与铺放轨迹规划算法研究，二者是密不可分的，一方面，铺层特性研究为铺层轨迹规划算法的合理性提供了理论支持；另一方面，轨迹规划算法又为铺层特性研究提供了多种的选择性。