【摘要】：Nomex蜂窩芯-碳纖維面板夾層結構復合材料作為結構效率最高的構件形式之一廣泛應用于航空、航天、軌道交通領域。從國內外的研究現狀可知國外已有開展Nomex蜂窩夾層結構復合材料自動鋪放成型的案例;國內目前尚未開展相關的研究,對于此類構件的成型大多是采用手糊成型工藝。本文以直升機的應用為背景對Nomex蜂窩夾層結構復合材料的自動鋪絲成型工藝進行研究,針對蜂窩芯側壓變形和蜂窩斜削邊緣預浸料絲束架橋兩個問題,主要研究內容包括:(1)分析Nomex蜂窩芯側壓變形的成因和影響因素,并探索避免側壓變形的解決方案。從Nomex蜂窩芯的各向異性和自動鋪放壓力、施壓傾角等角度分析了蜂窩芯側壓變形的成因;探索膠膜預粘接工藝以增強陽模成型工藝中蜂窩芯的側向承壓能力,并獲得了鋪放壓力窗口;提出陰模成型工藝避免了蜂窩芯的側壓變形。(2)分析蜂窩芯斜削邊緣預浸料絲束架橋的成因和影響因素,并探索減小或避免絲束架橋的解決方案。對絲束架橋的影響因素:鋪放壓力、鋪放張力和壓輥彈性模量進行了單因素實驗和正交實驗設計,確定其對架橋尺寸影響的主次順序;獲得了陽模成型的最佳鋪放工藝方案以減小架橋尺寸,并提出陰模工裝倒角處理方案以避免絲束架橋。(3)根據蜂窩芯材料外形尺寸和預浸料厚度精確設計加工了陰模工裝,探索局部零張力鋪放技術,確定內蒙皮的鋪放壓輥寬度。對自動鋪絲軌跡點進行判定處理,并用圓柱螺線擬合送絲長度,實現了局部零張力鋪放技術;針對45度鋪層更加復雜的架橋,采用有限元分析確定內蒙皮的最佳鋪放壓輥寬度。(4)采用兩種工裝進行自動鋪絲實際鋪放驗證。為研究絲束架橋對最終制件質量的影響,并驗證陰模成型工裝對于避免側壓變形和絲束架橋的效果,對兩種工藝最終制件的表面質量、斜削區(qū)截面和斜削位置的彎曲力學性能進行對比,確定適合自動鋪絲成型Nomex蜂窩夾層結構復合材料的成型工藝。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB332
【圖文】：

由于裝配或是局部剛度和強度的增強需要，蜂窩夾層結構Nomex 蜂窩夾層結構復合材料，因其比剛度高、質量輕等優(yōu)點，成之一，尤其是斜削蜂窩夾層結構復合材料在航空領域應用更為廣泛強國為綱領的新時代，國內航空制造業(yè)需要快步發(fā)展對航空結構材的要求。而從國內外的生產和研究現狀可知，國外已有開展 Nome鋪絲成型的案例；國內目前尚未開展相關的研究，對于此類構件成藝，實現該結構形式的自動化成型具有重要的工程意義[3]。蜂窩夾層結構復合材料的特點結構復合材料是由剛度和強度比較高的兩塊復合材料蒙皮之間夾放為支撐，使用專用膠膜或樹脂粘接成一體的整體結構，如圖 1.1 高，所以長時間以來受到航天、航空、軌道交通等領域的關注[5]，ex 蜂窩夾層結構復材已經在飛機的主要構件中廣泛應用，如機翼罩等部件。

（a）A380 中使用的 Nomex 蜂窩材料 （b）飛機殘骸中的蜂窩夾層碎片圖 1. 2 Nomex 蜂窩芯在飛機上的應用1.1.3 蜂窩夾層結構復合材料的成型方法1.1.3.1 蒙皮的鋪放成型Nomex 蜂窩斜削邊是常見的外形形式，蜂窩毛坯的加工可使用帶鋸片的專用切機或是銑床加工到所需厚度[19]。如果所需蜂窩型面復雜，則采用高速銑頭、無齒銑刀的數控銑床加工。對蜂窩厚度不大的曲面，可采用內熱彎成形，不同蜂窩芯的熱彎成形溫度范圍不盡相同，一般在180~200℃范圍。蜂窩芯邊緣一般應倒角，以避免側壓變形。蜂窩芯加工完成后，其在外蒙皮表面的定位可以通過激光投影設施來輔助完成[20]。蜂窩夾層結構蒙皮（面板）的成型過程是將預浸單向帶或是預浸織物按照鋪層設計要求逐層鋪疊在模具表面或是蜂窩芯表面后完成固化或是膠接。由于 Nomex 蜂窩芯材是典型的各向異性材料，為自動鋪放成型增加了難度，目前國內夾層復合材料自動化成型技術也沒有足夠的工程經驗，從國內的生產和研究現狀來看，國內的飛機制造商對于 Nomex 蜂窩夾層結構的蒙皮成型大多采用

結合了自動纏繞技術和自動鋪帶技術的優(yōu)勢改進而來的一自動鋪絲裝備系統(tǒng)的核心是鋪絲頭和 CAD/CAM/CAE 軟各式機床或是機器人外加控制系統(tǒng)作為自動鋪絲的硬件部根預浸窄帶分別進行夾持、切斷和重送操作，這個特點使時的增減鋪放預浸窄帶的根數，更加適合于具有邊界不規(guī)至之間邊緣時可以通過切斷所有紗束來避免材料的浪費；絲束緊密排列的絲帶，輸送到壓輥下方，在加熱裝置和壓輥面的鋪層上，如圖 1.3 所示。自動鋪絲用預浸紗絲束的寬實際鋪放的使用寬度為 3.175mm（1/8 英寸）、6.35mm 條軌跡通�？梢酝瑫r完成數根預浸紗束的鋪放，目前的自的同時鋪放。目前，商用自動鋪絲機最大的直線鋪放速度 2m/s2，鋪放效率最高可達 50kg/h 以上。自動鋪絲的 CA關鍵模塊，CAD 部分可以實現數模軟件（如 CATIA）到機床需要實現路徑轉為 NC 程序；CAE 部分可實現自動鋪

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本文編號：2798354