带缠绕、带铺放成型研究现状及应用
先进复合材料（Advanced CompositeMaterials，ACM）是指高性能树脂基复合材料，即用碳纤维等高性能纤维增强的树脂基复合材料，其综合性能与铝合金相当，但比刚度、比强度要高于铝合金。随着先进复合材料的持续快速发展，其应用价值日益显著，在提高航天产品技术性能方面，复合材料的应用优势不仅体现在作为轻质化的结构材料，更体现在作为满足各种应用需求的先进功能材料，以及代表复合材料技术高层次发展的结构/功能一体化和多项功能一体化的高新技术材料。复合材料的广泛应用，在很大程度上取决于复合材料成型工艺。各种低成本制造技术应运而生，纤维缝合技术、树脂转移模塑成型技术（RTM）、树脂膜渗透成型技术（RFI）、低成本模具技术、低温低压固化技术、电子束固化技术、缠绕技术、铺放技术等得到迅速发展和应用。其中，缠绕、铺放技术是近年来发展快、有效的复合材料成型制造技术。缠绕技术是指在控制张力和预定线型的条件下，将预浸胶纤维或布带连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化成一定形状制品的方法。
铺放技术是指通过使用铺放设备按照一定规律把预浸胶纤维或布带铺放到模具表面，并用压紧辊压实。带缠绕、带铺放则专指以预浸胶布带为材料的复合材料缠绕、铺放成型技术。目前，全已有多种类型的缠绕、铺放设备投入项目研制和实际生产。缠绕、铺放技术在降低制造成本和提高复合材料性能方面显示出极大的优越性和潜力
带缠绕、带铺放成型研究现状及应用
1 带缠绕成型技术研究现状及应用
1.1 带缠绕成型的国内外研究现状带缠绕成型技术随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展，在功能方面不断扩大。从国外来看，美国已将带缠绕成型工艺应用于型号研制：MD-2固体火箭发动机喷管部件中的13个零件，“侏儒”导弹的发动机喷管都是通过缠绕成型；欧洲、日本也在航天器、武器研制等领域广泛地应用带缠绕成型工艺：欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管，法国M51导弹的壳体，日本M-3S2、H-I、H-H火箭的助推器喷管都在使用缠绕成型的复合材料。图3所示为缠绕成型中的M51导弹壳体。
在国内，我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机，工作效率高，缠绕出的制品达到型号工艺要求，成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是，上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的，对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。
1.2 带缠绕成型的应用
带缠绕成型技术在风力发电机组上的应用主要是叶片、机舱和导流罩的缠绕成型。叶片作为风力发电装置关键、核心的部分，其材料和制造工艺将决定风力发电机组的性能和功率，也决定风力发电机组的成本。针对复合材料风电叶片的缠绕成型，德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的在大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、工艺装备等方面作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。据报道，现今上大风力发电机的装机容量为5MW，旋转直径可达126.3m。丹麦的LM公司为此装备配套缠绕出了61.5m长的复合材料叶片，单片叶片的重量接近18t，成为大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺三者的完美结合。
作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。据近的资料报道，到2020年，我国将投资2000亿元用于风力发电建设，新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1.5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。对可再生清洁能源的支持，为复合材料风电叶片缠绕成型技术提供了难得的发展机会。
2 带铺放成型技术研究现状及应用
2.1带铺放成型的研究现状
欧美发达于20世纪70年代开始研究带铺放成型技术，并取得了很大进展，已开发出复合材料带铺放成型设备，如美国Vought飞机公司的大型CTLM铺放机，该系统有2个铺放头，可同时铺放2个不同部位，Vought公司目前正使用此系统生产军用C-17运输机的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是欧洲早使用平面自动铺带机和曲面自动铺带机生产复合材料结构的公司，与手工铺贴相比，CASA自动铺带机具有很高的生产效率，一般是手工铺贴的10倍。当用150mm宽预浸胶布带作平面铺放时，生产效率是手工铺贴的22倍以上。波音公司在自动铺带技术方面投入大量资金和人力，发展自动铺带技术生产B2轰炸机大型复合材料构件。近年来，波音公司也将自动铺带技术应用于其他项目，主要包括Navy A6轰炸机（复合材料机翼）、F-22战斗机（机翼）和波音777民用飞机。波音777民用飞机的全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自动铺带技术制造。
目前，带铺放成型技术在我国尚处于起步阶段，国内复杂的铺放制品基本上以手工铺层为主，其生产效率低、铺层质量不稳定、材料利用率低、制造周期长、费用高，难以实现复杂的结构设计要求，制约了我国航空航天制造技术的发展和水平的提高。由于复合材料带铺放成型技术对军工事业和国防事业有着重大意义，欧美发达对我国严密封锁，并限制高档、精密和敏感复合材料成型工艺装备对我国的出口，使我国无法走“引进、消化、吸收”的捷径。国内科研院所和企业一直致力于带铺放成型技术的研究，以打破发达对我国的技术垄断，促进国防、航空航天事业的发展。
2.2 带铺放成型的应用
美国航空制造商大量应用带铺放成型技术生产B1、B2轰炸机的大型复合材料结构、F-22战斗机机翼、波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17运输机的水平安定面蒙皮等。欧洲生产的复合材料构件包括：A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和翼盒等。
我国大飞机工程已经立项，复合材料规划用量初期要达到15%，后期将随着材料与设计制造技术的成熟逐步扩大，终的上限可能接近甚至超过现有波音787的复合材料用量水平[10]，带铺放成型技术是保证大飞机项目顺利实施的关键技术之一。对于现阶段复合材料用量15% 的目标，翼面壁板类构件将成为主导。对于20年研制周期的大飞机计划，为进一步提高飞机性能，加大复合材料用量势在必行，复合材料机身铺放技术将成为后期的关键技术。
铺放技术是指通过使用铺放设备按照一定规律把预浸胶纤维或布带铺放到模具表面，并用压紧辊压实。带缠绕、带铺放则专指以预浸胶布带为材料的复合材料缠绕、铺放成型技术。目前，全已有多种类型的缠绕、铺放设备投入项目研制和实际生产。缠绕、铺放技术在降低制造成本和提高复合材料性能方面显示出极大的优越性和潜力
带缠绕、带铺放成型研究现状及应用
1 带缠绕成型技术研究现状及应用
1.1 带缠绕成型的国内外研究现状带缠绕成型技术随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展，在功能方面不断扩大。从国外来看，美国已将带缠绕成型工艺应用于型号研制：MD-2固体火箭发动机喷管部件中的13个零件，“侏儒”导弹的发动机喷管都是通过缠绕成型；欧洲、日本也在航天器、武器研制等领域广泛地应用带缠绕成型工艺：欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管，法国M51导弹的壳体，日本M-3S2、H-I、H-H火箭的助推器喷管都在使用缠绕成型的复合材料。图3所示为缠绕成型中的M51导弹壳体。
在国内，我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机，工作效率高，缠绕出的制品达到型号工艺要求，成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是，上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的，对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。
1.2 带缠绕成型的应用
带缠绕成型技术在风力发电机组上的应用主要是叶片、机舱和导流罩的缠绕成型。叶片作为风力发电装置关键、核心的部分，其材料和制造工艺将决定风力发电机组的性能和功率，也决定风力发电机组的成本。针对复合材料风电叶片的缠绕成型，德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的在大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、工艺装备等方面作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。据报道，现今上大风力发电机的装机容量为5MW，旋转直径可达126.3m。丹麦的LM公司为此装备配套缠绕出了61.5m长的复合材料叶片，单片叶片的重量接近18t，成为大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺三者的完美结合。
作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。据近的资料报道，到2020年，我国将投资2000亿元用于风力发电建设，新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1.5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。对可再生清洁能源的支持，为复合材料风电叶片缠绕成型技术提供了难得的发展机会。
2 带铺放成型技术研究现状及应用
2.1带铺放成型的研究现状
欧美发达于20世纪70年代开始研究带铺放成型技术，并取得了很大进展，已开发出复合材料带铺放成型设备，如美国Vought飞机公司的大型CTLM铺放机，该系统有2个铺放头，可同时铺放2个不同部位，Vought公司目前正使用此系统生产军用C-17运输机的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是欧洲早使用平面自动铺带机和曲面自动铺带机生产复合材料结构的公司，与手工铺贴相比，CASA自动铺带机具有很高的生产效率，一般是手工铺贴的10倍。当用150mm宽预浸胶布带作平面铺放时，生产效率是手工铺贴的22倍以上。波音公司在自动铺带技术方面投入大量资金和人力，发展自动铺带技术生产B2轰炸机大型复合材料构件。近年来，波音公司也将自动铺带技术应用于其他项目，主要包括Navy A6轰炸机（复合材料机翼）、F-22战斗机（机翼）和波音777民用飞机。波音777民用飞机的全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自动铺带技术制造。
目前，带铺放成型技术在我国尚处于起步阶段，国内复杂的铺放制品基本上以手工铺层为主，其生产效率低、铺层质量不稳定、材料利用率低、制造周期长、费用高，难以实现复杂的结构设计要求，制约了我国航空航天制造技术的发展和水平的提高。由于复合材料带铺放成型技术对军工事业和国防事业有着重大意义，欧美发达对我国严密封锁，并限制高档、精密和敏感复合材料成型工艺装备对我国的出口，使我国无法走“引进、消化、吸收”的捷径。国内科研院所和企业一直致力于带铺放成型技术的研究，以打破发达对我国的技术垄断，促进国防、航空航天事业的发展。
2.2 带铺放成型的应用
美国航空制造商大量应用带铺放成型技术生产B1、B2轰炸机的大型复合材料结构、F-22战斗机机翼、波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17运输机的水平安定面蒙皮等。欧洲生产的复合材料构件包括：A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和翼盒等。
我国大飞机工程已经立项，复合材料规划用量初期要达到15%，后期将随着材料与设计制造技术的成熟逐步扩大，终的上限可能接近甚至超过现有波音787的复合材料用量水平[10]，带铺放成型技术是保证大飞机项目顺利实施的关键技术之一。对于现阶段复合材料用量15% 的目标，翼面壁板类构件将成为主导。对于20年研制周期的大飞机计划，为进一步提高飞机性能，加大复合材料用量势在必行，复合材料机身铺放技术将成为后期的关键技术。
