大型复合材料构件自动铺放制造关键基础研究

申报领域综合交叉领域申请资助类别A(3000万以上)受理日期受理编号SQ2010CB072723973计划项目申请书项目名称：大型复合材料构件自动铺放制造关键基础研究申报单位：南京航空航天大学项目首席科学家：肖军申报日期：2010-03-17中华人民共和国科学技术部制2010年3月1摘要复合材料轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀，尤其是设计制造一体化和易于整体制造大型构件，对减轻结构重量和提高可靠性具有不可替代的作用。大型复合材料构件在航空航天、高速轨道交通、风力发电等领域的应用日益广泛，如大型飞机复合材料用量越来越大（A380用60.5吨、占25%，787用25吨、占50%）。自动铺放是大型复合材料构件制造新方法，采用专用数控装备，按模具型面逐层增量成形，按构件设计确定的纤维方向和分布密度控制铺放路径与工艺，一体化高速制造。自动铺放制造方法为提高复合材料构件性能和降低成本带来了前所未有的机遇，同时对制造理论和方法提出了新的挑战：必须突破铺放装备大惯性操作机构高速与控制精确性、满足构件性能与复杂外形的加工路径规划、适于加工窗口的材料性质与状态调控、成形质量在线高速测控等瓶颈。因此，迫切需要研究预浸料工艺性与调控方法、铺放装备操作规律、自动铺放构件缺陷形成规律和大型构件性能评价等问题。本项目围绕“自动铺放工艺基础”、“自动铺放制造理论”、“自动铺放构件质量控制与评价”三个基础科学问题，开展以下课题研究：1)预浸料性能与铺放工艺性关联和调控；2)基于构件特征的自动铺放工艺理论；3)自动铺放装备设计与操作理论；4)自动铺放复合材料构件纤维拓扑分析与路径规划方法；5)自动铺放构件的缺陷形成规律与在线测控方法；6)自动铺放大型复合材料构件评价方法。本项目将：1）建立自动铺放工艺调控与优化理论基础；2）掌握自动铺放装备操作科学规律；3）建立基于性能-结构-工艺-装备多约束的自动铺放路径规划理论与方法；4）揭示自动铺放大型复合材料构件缺陷特征和形成规律，确立构件质量在线测控与综合性能评价方法；5）建立自动铺放装备和大型复合材料构件制造基础研究平台，为自动铺放新装备研制与大型复合材料构件自动铺放制造提供新原理、新方法。本项目研究成果将使我国大型复合材料构件制造基础研究水平跻身于世界前列，通过理论创新提升我国制造技术的自主创新能力；推动自动铺放技术发展及其在国家大型飞机、重型直升机、载人航天、高速轨道交通与风力发电等重大2工程中的应用。3一、立项依据1.1国家需求复合材料不仅轻质高强和性能可设计、而且易于一体化制造大型整体构件，在减重、抗疲劳、耐腐蚀、可靠性与维修性等方面大大优于传统金属材料。在航空航天、交通运输、能源和国防等领域应用越来越广泛，在国家重大工程中的作用越来越突出。但大型复合材料构件难以成形和制造成本居高不下是阻碍其大量应用的两大瓶颈，亟待突破。大型飞机、载人航天与探月工程及高档数控机床与基础制造装备同时列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》的16个重大科技专项。大型飞机代表了一个国家竞争力的制高点，是建设创新型国家的标志。大型军用运输机是组建国家战略空军的基石，决定了军队快速反应和高密度与大纵深战略投送能力，对国家安全至关重要。商用飞机国内市场需求巨大：波音和空客两大飞机制造商2009年发布的中国市场预测报告中都预计中国将在20年后成为继美国之后的第二大飞机需求市场：空客预计未来20年中国内地需要新增3000多架客机和货机、价值约3550亿美元；波音预计未来20年中国将需要3770架新飞机、价值约4000亿美元。2006年3月，温家宝总理宣布我国在“十一五”期间启动大型飞机研制项目，国务院成立了大型飞机重大专项领导小组。2007年2月26日召开的国务院常务会议批准大型飞机重大科技专项正式立项，分为大型运输机和大型客机两个型号，大型运输机研制于2007年全面铺开；2008年5月11日中国商用飞机有限责任公司在上海成立标志着大型客机研制正式启动，我国大型飞机工程全面展开；2009年12月16日，C919大型飞机总体方案通过评审，计划于2014年首飞、2016年交付。经济性和安全性决定大型飞机的成败。减重是提高飞行器经济性的关键，“为减轻每一克重量而奋斗”是航空航天工程特有的设计理念和为之奋斗的目标。大型飞机每减轻1kg重量增加的经济效益超过450美元（根据空客公司统计，结构重量每降低1%，飞机总重可降低3%-5%、油耗可减少3%-4%），而对于飞船和空间站，每减轻1kg重量增加的经济效益高达3万美元，效益更加明显。先进复合材料轻质高强、减重明显，整体成形的构件可以减少连接、进一步减重，大大提高可靠性和安全性。因此，复合材料用量已经成为飞行器先进性的重要标志。4航空材料专家曹春晓院士指出：飞机用材料正由铝合金时代向复合材料时代迈进，先进飞机的复合材料用量起点将是50％。中国商用飞机有限责任公司专家咨询组2008年9月10日的咨询报告指出：“复合材料应用是当代大型民机的一项关键技术，大量使用复合材料是减轻结构重量、提高结构效率，提高民用飞机的经济性、舒适性，体现先进性的重要举措。”经论证，我国大型客机C919基本型的复合材料设计用量2014年为15%、2016年达到23%（图1），接近A380复合材料用量25%的水平。图1C919飞机复合材料应用计划然而，要实现上述目标，从目前国内大型复合材料构件制造技术储备来看，无论从基础研究还是技术开发，都还有相当的距离。国际上先进飞机已采用自动铺放等低成本技术制造大型复合材料构件，自动铺放制造方法包括自动铺带和自动铺丝，前者可使制造工时减少70%-85%、废料率由20%降低到5%，后者更适用于制造复杂的复合材料构件且减少废料率90%以上，综合制造成本降低30%以上。新一代先进客机787和A350的所有翼面采用自动铺带制造、全部机身采用自动铺丝制造，复合材料用量分别达到50%和53%。经论证，2014年我国大型客机C919基本型的平尾、立尾、中央翼盒已确定采用自动铺带制造，2016年机翼也将全部采用复合材料自动铺带制造，尾锥最适合自动铺丝整体制造。但目前国内航空复合材料构件仍处于手工成形阶段，效率低、质控难、成本高，制造大型构件相当困难，导致复合材料用量很低：支线客机ARJ21用量不足3%，现役军机最高用量不足9%。因此，必须攻克材料、设计和制造的难题，提高复合材料构件的质量和成品率，降低成本。同时必须指出，上述目标还远未达到国际先进商用飞机的复合材料基准用量。这将使我国大型客机市场竞争力在较长时间内不及国外同类机型，只有突破大型复合材料构件制造基础理论，掌握关键技术，5在大型客机系列化发展过程中才能不断增加复合材料用量，提高飞机综合效能和市场竞争力。我国大型运载火箭、重型直升机和下一代战斗机计划项目已经启动，先进复合材料大型构件应用成功与否已经成为项目的瓶颈之一：为满足发射通讯要求，运载火箭整流罩必须采用透波复合材料，对于直径5米的整流罩，现有手工制造难以实现，需用自动铺丝才能保证质量；采用复合材料自动铺缠一体化制造箭身是国际上先进大型运载火箭的优先发展方向。直升机对减重和安全性要求更高，国外运输类直升机复合材料用量高达70-80%。对于下一代战斗机，复合材料用量将达到30%，机翼、壁板需采用自动铺带制造；对于翼身融合体和满足飞机隐身特性的S形进气道，自动铺丝几乎是唯一的制造方法。高速铁路等轨道交通工具不仅要求减重，而且要求减震降噪，复合材料可以同时满足这些要求。对于大型、超大型风力发电机组，采用复合材料叶片是唯一选择，自动铺放是制造上述大型复合材料构件的首选和重要保障。自动铺放机属于高档专用数控装备，核心技术目前由美国、法国和西班牙的6个公司掌控垄断；虽然通用自动铺带机进口解禁，但高档铺带机和自动铺丝机仍然受控无法引进；国内在自动铺放过程中的材料特性规律与工艺技术、铺放装备构型与操作规划、质量控制与评价等方面基础研究甚为薄弱。为突破这些技术瓶颈，高档数控机床与基础制造装备专项已经启动自动铺放装备研制课题，通过引进铺放头关键部件集成，解决自动铺放装备有无的问题，但是“自主创新是支撑一个国家崛起的筋骨。我们要引进和学习世界上先进的科技成果，但更重要的是要立足自主创新，真正的核心技术是买不来的。”自动铺放及装备技术创新能力源于基础理论的突破，关键基础问题的解决是形成自主知识产权技术的根本。本项目以大型飞机、载人航天与探月工程和高档数控机床与基础制造装备国家重大科技专项为背景，结合大型运载火箭、重型直升机和新一代战斗机等重大工程，通过在复合材料先进制造领域的基础研究，提升我国制造技术的创新能力，自动铺放制造的理论创新与突破将为国家重大专项和重大工程提供理论支撑与技术保障。1.2科学挑战大型复合材料构件自动铺放涉及成形机理与工艺、装备构型与控制、质量检测与保证等多方面问题，具有以下特点：1）自动铺放制造以处于材料演化过渡6状态的单向预浸料（预浸带或预浸丝）为基础，其物理化学状态与成形参数多重耦合、对可成形性和质量影响至关重要。2）自动铺放成形路径既要满足构件外形，又要满足结构设计确定的纤维方向及覆盖性要求，伴随着预浸料切割等过程和各种铺放参量协调控制。3）自动铺放装备机构运动自由度多且相互耦合、速度快惯性大、非线性严重，铺放过程中铺放头的位姿和速度操作能力、承载特性受各驱动单元运动与动态特性、铺放头非完整接触及其协调性能的影响。4）自动铺放制造高速不可逆成形，制造过程中可能出现的缺陷有多种形态，且无法采用现有方法检测和实施质量控制。这些特点和要求对复合材料构件工艺设计理论、装备复杂系统运动学与动力学理论、控制策略及系统设计原理、操作规划与控制方法、材料与工艺控制、检测与质量保证方法等提出了挑战：必须突破铺放装备大惯性操纵机构高速与精确性、满足力学性能与构件复杂外形以及铺放非完整接触约束的铺放路径规划、适于加工窗口的材料性质与状态调控、成形质量在线高速测控等瓶颈。因此，需要研究铺放装备操作规律、铺放路径规划方法、预浸料工艺性调控和铺放工艺优化、自动铺放构件缺陷形成规律和大型构件质量检测与评价等问题。与通常环境下金属材料加工不同，自动铺放预浸料是单向纤维与未固化树脂的集合体，在铺放状态下处于物理-化学状态演化阶段，比金属材料在接近热加工温度时的状态更复杂（金属材料主要是相和组织结构变化，而复合材料还包括树脂分子化学结构的不可逆交联）、对环境（热、力等）十分敏感，铺放过程伴随着预浸料的粘塑性变形，变形的合理利用、失效变形（撕裂、屈皱）的控制直接关系到铺放质量；预浸料粘性与变形、不同铺层间的粘合机理以及变形规律和影响因素相当复杂，而其基础研究甚为薄弱。与金属材料成形加工不同，自动铺放制造模式与构件特征与结构拓扑高度耦合、密不可分；自动铺丝所面向的构件形状与力学性能非常复杂，直接影响纤维布局与铺丝路径的多样性与复杂性，同时受铺放装备的可操作性、预浸丝粘合性、铺放头与模具的非完整接触特性等约束，需要建立相应的多参量协调控制、多目标与全局优化的工艺新方法与铺放装备操作等理论。自动铺放制造复杂构件要求铺放装备自动化、智能化，铺放机构灵活、平稳和快速，各工作单元易于协调与控制。铺放系统的复杂性不仅要求六自由度以上的冗余机械手路径规划与控制、铺放头与模具的非完整接触约束，而且伴随预浸7料的输送，温度、压力、粘性等参数的协调控制。这些综合控制策略与构件设计、材料特性和加工工艺密切相关。国际上自动铺放发展主要方向是一体化制造和提高效率，自动铺带与自动铺丝趋于融合，包括采用多带铺放、多头同步铺放（图2）、高效铺放与同步切割（“Cut/AddOn-the-Fly”）等；多任务多子系统的协调与精确控制，使得上述问题更为复杂：1）为满足复合材料结构与铺放工艺要求，需精确控制自动铺放机械手的速度、位姿、力矩等，对铺放机械手的动态性能、稳定性及精度提出了更高的要求，其位臵精度、速度精度和速度平稳性是伺服跟踪系统设计的重要指标。由于铺放机械手是具有大惯量和高速度运动的冗余机构，惯性滞后明显，多轴联动也会出现较