纖鋪層間強(qiáng)度研究
       利用自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)加工的復(fù)合材料構(gòu)件，其基體材料的性能指標(biāo)由加熱工藝參數(shù)和冷卻工藝參數(shù)共同決定；其整體性能指標(biāo)還與鋪層間強(qiáng)度有關(guān)，即與任意相鄰兩鋪層熔合后所能達(dá)到的鋪層間強(qiáng)度有關(guān)。鋪層間強(qiáng)度受到兩鋪層間緊密接觸程度、兩鋪層熔合時(shí)分子滲透距離及纖維鋪放壓力三方面因素的共同影響。

鋪層間緊密接觸度被定義為：在任意給定時(shí)間，兩鋪層接觸面積占鋪層面積總面積的百分比，與溫度、壓力、接觸時(shí)間有關(guān)。由于表面粗糙度的原因，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）的微觀幾何形貌為不規(guī)則體，在未加熱和未施加壓力的條件下，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶表面與鋪層表面（或芯模表面）不可能完全接觸。為理論計(jì)算方便，國(guó)外研究人員首先將不規(guī)則的微觀幾何體簡(jiǎn)化成大小不同的矩形（指截面），然后再將上述矩形簡(jiǎn)化成大小相同的矩形。纖維鋪放過(guò)程中，在加熱到一定溫度時(shí)，當(dāng)壓輥對(duì)預(yù)浸絲或預(yù)浸帶施加一定的鋪放壓力后，預(yù)浸絲或預(yù)浸帶與鋪層表面（或芯模表面）的突起的矩形將發(fā)生變形，矩形高度將減小，寬度將增大，然后根據(jù)這一模型，建立計(jì)算鋪放壓力與鋪層間緊密接觸度之間的函數(shù)關(guān)系。將現(xiàn)行的粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)融入上述計(jì)算模型中，可顯著提高實(shí)際應(yīng)用的方便程度。圖2為鋪層表面微觀幾何形貌及簡(jiǎn)化模型示意圖。

       鋪層間熔合是指相鄰兩鋪層表面，當(dāng)加熱到溫度高于自身基體熔化溫度時(shí)，并在一定的鋪放壓力作用下，會(huì)發(fā)生一鋪層表面的分子向另一鋪層擴(kuò)散的現(xiàn)象。分子擴(kuò)散的距離決定了鋪層間強(qiáng)度，這與溫度、壓力與擴(kuò)散時(shí)間有關(guān)?；阪湹乃碚?，研究人員分別對(duì)等溫條件下與非等溫條件下，熱塑性聚合物的熔合模型進(jìn)行了研究，建立鋪層間強(qiáng)度與鋪放溫度、鋪放壓力之間的函數(shù)，找出熔合所需的最佳時(shí)間，為纖維鋪放過(guò)程提供壓輥壓實(shí)的時(shí)間參數(shù)。
 在溫度一定的條件下，鋪層間的緊密接觸度與鋪層間熔合由鋪放壓力和施壓時(shí)間來(lái)決定。研究人員對(duì)此建立了二維的可壓縮的牛頓流體模型，對(duì)壓輥及所接觸鋪層的壓力場(chǎng)分布進(jìn)行了較為深入的研究。此外，鋪放壓力還影響基體材料的孔隙率，目前所見(jiàn)文獻(xiàn)，僅通過(guò)試驗(yàn)的對(duì)比進(jìn)行了定性研究，定量研究未見(jiàn)報(bào)道。

纖維鋪放軌跡規(guī)劃算法研究

鑒于自動(dòng)纖維帶鋪放主要用于加工形狀簡(jiǎn)單的平板類或類平板類復(fù)合材料構(gòu)件。這里所研究的纖維鋪放軌跡規(guī)劃算法主要針對(duì)自動(dòng)纖維絲鋪放而言。由于自動(dòng)纖維絲鋪放設(shè)備具有可靈活操作的鋪放頭及鋪放所采用的預(yù)浸纖維絲寬度窄等特點(diǎn)，可用于加工形狀復(fù)雜的自由曲面復(fù)合材料構(gòu)件。

 目前，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用最為廣泛的是采用定角度纖維鋪放所制造的0°鋪層、45°鋪層和90°鋪層?；谏鲜鲣亴樱槍?duì)不同形狀的復(fù)合材料構(gòu)件，國(guó)內(nèi)研究人員提出了不同的軌跡規(guī)劃算法。例如，針對(duì)自由曲面復(fù)合材料構(gòu)件，研究了基于等距線、等分點(diǎn)原理的2 種軌跡規(guī)劃算法；針對(duì)S 形進(jìn)氣道，在分析等鋪放角法和等距偏置法2 種軌跡規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上, 提出基于纖維帶邊緣曲線的軌跡規(guī)劃方法及將等鋪放角法和等距偏置法2 種軌跡規(guī)劃方法相結(jié)合, 提出以曲線在曲面內(nèi)等距偏置為核心的鋪放軌跡優(yōu)化方法。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員提出了“變剛度”鋪層鋪放的概念，這類鋪層剛度的變化是由于鋪放角度的不斷變化所導(dǎo)致的，針對(duì)變角度纖維鋪放，他們研究了測(cè)地線方式、常曲率方式及角度線性變化方式的軌跡規(guī)劃算法。自動(dòng)鋪帶軌跡規(guī)劃中采用的測(cè)地線算法，也可歸為變角度纖維鋪放。

針對(duì)不同類型的自由曲面復(fù)合材料構(gòu)件，在纖維鋪放過(guò)程中，如何避免或減少除構(gòu)件邊緣外的剪切和重送，是軌跡規(guī)劃算法研究的一個(gè)主要出發(fā)點(diǎn)。因?yàn)閺?fù)合材料構(gòu)件鋪層內(nèi)部過(guò)多的剪切與重送，一方面會(huì)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的外形精度和各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響，另一方面會(huì)使纖維鋪放過(guò)程的復(fù)雜程度加劇，不利于生產(chǎn)效率的提高。由于軌跡規(guī)劃算法直接影響所形成鋪層的力學(xué)特性，滿足鋪層力學(xué)特性的需要，也是設(shè)計(jì)和研究軌跡規(guī)劃算法的一個(gè)主要出發(fā)點(diǎn)。

目前，我們提出了一種新的變角度軌跡規(guī)劃算法，可實(shí)現(xiàn)錐殼類零件、外殼類零件及變截面接頭類零件的加工制造，如圖3所示。變角度軌跡規(guī)劃算法在上述零件的具體實(shí)現(xiàn)中，其最大優(yōu)點(diǎn)是避免了除零件端面外的剪切與重送，可簡(jiǎn)化纖維鋪放過(guò)程，提高加工效率。同時(shí)，改變初始鋪放角，還可以改變零件的固有頻率，對(duì)改善整體系統(tǒng)的共振，具有一定的作用。

鋪層特性研究

 鋪層特性研究主要針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件在不同的工況條件下，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析或動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，通過(guò)分析結(jié)果，對(duì)鋪層進(jìn)行優(yōu)化，以得到滿足設(shè)計(jì)要求的鋪層為最終目標(biāo)。

 纖維的變角度鋪放是一種新型的軌跡規(guī)劃算法，此算法可增大復(fù)合材料構(gòu)件鋪層設(shè)計(jì)的靈活性，充分利用復(fù)合材料的方向特性來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。目前，國(guó)外研究人員主要針對(duì)這種變角度鋪層進(jìn)行深入研究。首先，針對(duì)變角度鋪放制造的平板、類平板或平板上帶孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，研究了在拉伸載荷作用下，這類結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)合分析結(jié)果，對(duì)鋪層角進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的鋪層，較傳統(tǒng)定角度鋪放制造的鋪層，各項(xiàng)性能指標(biāo)都有明顯的提高。其次，針對(duì)變角度鋪放制造的圓柱殼和圓錐殼，重點(diǎn)研究了鋪放角對(duì)其固有頻率的影響。通過(guò)改變纖維鋪放角，可改變殼體的固有頻率，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)避免整體系統(tǒng)的共振具有積極的意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)于變角度鋪層結(jié)構(gòu)的研究較少。從發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于變角度鋪層結(jié)構(gòu)的研究基本處于起步階段。目前，國(guó)內(nèi)的研究重點(diǎn)仍集中在固定角度直線鋪層力學(xué)特性的分析上，通過(guò)改變纖維鋪放角的固定角度及改變不同角度值鋪層之間的層疊順序來(lái)提高鋪層的力學(xué)特性；并且這類研究主要針對(duì)平板或平板帶孔類結(jié)構(gòu)，對(duì)殼體類結(jié)構(gòu)的研究較少。
 

鋪層特性研究與鋪放軌跡規(guī)劃算法研究，二者是密不可分的，一方面，鋪層特性研究為鋪層軌跡規(guī)劃算法的合理性提供了理論支持；另一方面，軌跡規(guī)劃算法又為鋪層特性研究提供了多種的選擇性。