复杂曲面特征的复合材料构件纤维自动铺放关键技术研究

Automated fiber placement technologies for composite components have extensive and important applications in aerospace, defense, and other fields. To improve the productivity and process conditions model, this proposal focuses on the key technologies of automated fiber placement for complex curved surface based composite components, in which the thermosetting resin matrix composites are picked for placement. The main contents are listed as follows: 1) Productivity optimization with multiple constraints, which includes placement trajectory planning and placement velocity constraint model building. Trajectory optimization with a goal of improving productivity is the emphasis. 2) Optimize process parameter, build the models of placement thermal control and force control, and propose corresponding control strategies to ensure the placement quality. 3) Develop the placement quality assessment criterion to estimate the process and adjust the trajectory optimization, process parameter models, and the control strategies. This project selects our automated fiber placement equipment as the experiment platform, and explores the automate placement of composite components with complex curved surface, in order to improve the productivity while ensuring the quality.

复合材料构件纤维自动铺放技术在航天、国防等领域有非常广泛且重要的应用。本项目针对目前自动铺放效率亟待提高，铺放工艺参数模型不够完善等科学与工程问题，以热固性树脂基复合材料纤维自动铺放为应用原型，主要研究具有复杂曲面特征的复合材料构件纤维自动铺放的关键技术。具体开展工作如下：1）基于多约束的铺放效率优化方法，包括铺放轨迹规划、建立铺放速度约束模型，重点研究以提高铺放效率为目标的轨迹优化；2）建立工艺参数目标值的优化方法，对铺放温度控制和成型压力控制分别建模，并提出相应的控制策略，以保证铺放质量；3）建立铺放质量评价标准，对铺放过程进行评价，并对轨迹优化、工艺参数模型以及控制策略进行模型修正。以申请团队自主开发的纤维自动铺放设备为实验平台，对复杂曲面特征的复合材料构件铺放进行研究，实现在满足铺放质量的前提下提高铺放效率的目标。

复合材料构件纤维自动铺放技术在航天、国防等领域有非常广泛且重要的应用。本项目针对目前自动铺放效率亟待提高，铺放工艺参数模型不够完善等科学与工程问题，以热固性树脂基复合材料纤维自动铺放为应用原型，主要研究具有复杂曲面特征的复合材料构件纤维自动铺放的关键技术。具体开展工作如下：1）基于多约束的铺放效率优化方法，包括基于三角网格模型的基础上提出了一种基于聚类的扫描路径规划算法，通过仿真和实际的扫描试验验证了提出的扫描路径规划算法的有效性；针对自动铺放过程中的铺丝轨迹规划问题，提出了一种变偏移距离的铺丝路径生成算法；2）对铺放温度控制和成型压力控制分别建模，并提出相应的控制策略，以保证铺放质量；3）针对自动铺放过程中机器人带动铺丝头的运动与铺丝头控制器对纤维丝束动作之间要求协调的问题，提出了一种主从同步和时间同步相结合的控制方法。以申请团队自主开发的纤维自动铺放设备为实验平台，对复杂曲面特征的复合材料构件铺放进行研究，实现在满足铺放质量的前提下提高铺放效率的目标。