【摘要】

韓國C2ES【1】和KCarbon【2】公司使用Cadfil軟件【3】設計噴氣式發(fā)動機的雙S彎噴管，其合作成果已在JEC期刊【4】上發(fā)表。

在設計雙S彎噴管時，必須提前通過工藝設計仿真工具（CAD/CAM）創(chuàng)建準確的纖維放置和纏繞軌跡。然而，對于非軸對稱的纏繞仿真，是相當困難的。

Cadfil有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀的設計策略。因為雙S彎噴管是一個復雜的管道（可變截面的多彎曲管），所以使用了基于相對彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對軸線為直線的普通圓管的纏繞螺旋線。

關鍵詞：非軸對稱繞組仿真、纖維纏繞工藝仿真

基于隱形飛機噴氣式發(fā)動機雙S彎噴管的纖維纏繞工藝

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在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)斗機、轟炸機和無人作戰(zhàn)飛行器 (UCAV) 的隱身技術是通過確保空中優(yōu)勢來決定戰(zhàn)爭勝負的重要因素。隱身是指一種避免被敵方雷達和紅外探測器探測到的技術。在紅外（IR）信號檢測的情況下，飛機本身的熱量，尤其是高溫的發(fā)動機和后機身發(fā)出的熱量輻射量最大。

由于必須設計飛機發(fā)動機噴嘴以實現(xiàn)紅外信號抑制，因此應用了S形噴嘴（雙S彎噴管），以使發(fā)動機的高溫部分不可見。此外，采用大縱橫比的出口形狀來降低廢氣羽流溫度的紅外特征（圖 1）。多層復合材料需滿足發(fā)動機排氣噴嘴的功能和結構要求。

噴嘴的最內層由碳纖維增強碳化硅 (C-SiC) 復合材料制成，具有出色的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。最外層由碳纖維增強塑料 (CFRP) 組成，這是一種輕質材料，可保持結構強度以抵抗軸向推力和內部壓力。最后，為了粘合和絕緣，在C-SiC和CFRP材料之間使用了陶瓷材料。

采用纖維纏繞技術的非軸對稱形狀

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對于簡單的軸對稱噴嘴結構（圓柱形/圓形噴嘴），可以使用纖維纏繞工藝，這比其他復合材料預成型工藝更便宜。另一方面，對于具有急彎的非圓柱形的飛機組件，使用纖維纏繞工藝是極具挑戰(zhàn)的。因此，為了用傳統(tǒng)的纖維纏繞工藝均勻地包裹非軸對稱形狀的外部，必須提前通過CAD/CAM工藝設計仿真工具創(chuàng)建準確的纖維放置和纏繞軌跡。

通過纖維纏繞工藝制造飛機零件

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在本案例研究中，為了了解發(fā)動機排氣噴嘴形狀的可成型性，僅使用碳纖維進行干式纏繞過程，并且需要最佳纏繞模式和角度設置以防止纖維在附近滑動。通過商業(yè)纖維纏繞模擬工具來執(zhí)行非軸對稱形狀的成功纖維纏繞工藝的優(yōu)化工藝條件。

非軸對稱繞組仿真的關鍵策略

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Cadfil有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀的設計策略。因為這個組件主要是一個復雜的管道（可變截面的多彎曲管），所以使用了一種基于使用相對于彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對于軸線為直線的普通圓管的軸線纏繞螺旋線。下面簡要總結了在Cadfil中創(chuàng)建蜿蜒路徑的過程。

首先，在CAD中，零件必須按照將要呈現(xiàn)給纏繞機的方向進行定向，以便零件的X軸是心軸旋轉軸。第二步是創(chuàng)建纏繞曲線。圖2顯示了零件幾何形狀和幾條纏繞曲線。紅色曲線是最初的設計，藍色曲線是一個小的修改，允許在大直徑端稍微更大的纏繞范圍。心軸表面幾何圖形通過FEA或3D打印格式從CAD導出為三角網格。Cadfil支持多種標準數據格式。曲線幾何圖形作為標準STEP數據導出，是由直線、圓弧或復雜樣條曲線組成的完全通用的復合曲線。

下一步是一個用戶對話框，用于為蜿蜒的路徑創(chuàng)建一組數據參數。參數包括曲面幾何文件、步進文件和選取的曲線、要使用的纏繞曲線的范圍（修剪）、起始的初始方向以及纏繞的螺距。

間距實際上是圍繞零件的路徑每旋轉一次沿脊椎行進的距離。創(chuàng)建路徑后，Cadfil軟件計算路徑的摩擦（防滑）要求，以便用戶檢查它是否在可接受的范圍內。可以創(chuàng)建一組路徑并將其組合成一個繞組層，并且可以組合多組繞組層以形成一個完整的組件繞組。Cadfil 擁有一整套3D分析工具，可用于查看纏繞機的幾何形狀、厚度和3D運動。創(chuàng)建的路徑可以導出到CAD、FEM模型或用于為各種CNC或機器人纏繞機生成控制數據。

這項研究的最終目標是使用高價碳化硅纖維，通過纏繞工藝制造暴露在高溫下的最外層排氣噴嘴。

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因此，在設計纏繞模式時，可以通過將帶間距離（間距）設置為多于一個纖維帶寬來使用最少數量的碳化硅纖維（圖2a）。

為了填補頻帶之間的間隙，將第二個電路的起始位置設置為從第一個電路的起始位置偏移10毫米的點（圖2b）。

?從圖2c可以看出，當路徑總共重復6次時，所有間隙都被填充了。

如圖2d 所示，預計纖維會在彎曲部分的開始處聚集，但在其他區(qū)域會形成均勻的厚度分布。

通過3D圖形查看器（圖2e）可以預測纏繞過程中機器與芯軸之間的碰撞，在這種情況下，機器的運動不受芯軸的干擾。

使用一種相對便宜的碳纖維束來優(yōu)化纏繞工藝條件。在實際過程中，預計纖維滑動將沿著彎曲的表面發(fā)生。然而，經證實，使用Cadfil纖維纏繞仿真軟件可以準確模擬纏繞纖維帶的位置和角度（圖3所示）。

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結論

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該研究證實了非軸對稱飛機復合材料部件的可行性，與其他復合材料制造工藝相比，該復合材料部件可以通過應用低成本的纏繞工藝來降低生產成本，同時滿足初始設計目標。

【注釋】

【1】氣候和能源解決方案中心（C2ES）制定實用和創(chuàng)新的解決方案來應對氣候變化，并與領先企業(yè)合作，以加快氣候進步。

【2】韓國碳產業(yè)振興院 (KCARBON)是一家韓國的創(chuàng)新機構，旨在通過商業(yè)和研究支持推動韓國碳產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

【3】Cadfil是一款專業(yè)的纖維纏繞工藝仿真軟件，中國區(qū)總代理為“上海庭田信息科技有限公司”

【4】JEC（Journal of Energy Chemistry）期刊是SCI化學類分區(qū)1區(qū)期刊，中文名稱《能源化學》，ISSN號為2095-4956。

總結

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