內容概要：

克服復合材料壓力容器自動纖維鋪設過程中的褶皺和重疊缺陷

復合材料壓力容器自動纖維鋪設的質量和效率受褶皺及重疊缺陷的影響

適用于橢圓形圓頂和圓柱體部分，結合無皺褶標準和無缺陷算法的新型路徑規(guī)劃方法

通過優(yōu)化運動控制參數，模擬和驗證無皺紋、無缺陷、全覆蓋的鋪設路徑，實現高質量、高效率的復合壓力容器自動化纖維鋪設

1. 克服復合材料壓力容器自動纖維鋪設過程中的褶皺和重疊缺陷

旋轉表面的放置路徑

復合材料壓力容器因其重量輕、強度高而被廣泛應用于航天工程、軍事和海洋應用等行業(yè)幾十年。然而，自動纖維鋪設作為制造復合材料壓力容器的前沿技術 (AFP) 過程面臨著褶皺和重疊缺陷的重大挑戰(zhàn)。

壓力容器的復合材料 AFP 關鍵問題：

在轉換過程中，熱塑性預浸料絲束會出現平面外彎曲和起皺，尤其是在圓頂部。

附近預浸料絲束之間存在間隙和重疊，導致厚度不均勻，尺寸不準確。

機械性能下降及缺陷區(qū)域的潛在損壞/故障

由于預浸料絲束的切割和重新加料增加，生產效率降低

最近的研究重點是通過先進的布局路徑規(guī)劃算法來解決這一問題。有些方法值得注意：

對預浸料軌跡進行優(yōu)化，考慮殼體幾何結構和皺紋形成機制

鋪層質量評價標準是根據預浸料變形能力制定的。

利用計算方法生成一個連續(xù)的、無碰撞的復雜表面放置路徑

橢圓形圓頂的幾何形狀

但是，仍然需要一個全面的解決方案，可以為整個壓力容器結構(包括具有挑戰(zhàn)性的圓頂部分)生成無褶皺、無缺陷的放置路徑。這是為了改進 AFP 復合材料壓力容器的質量、性能和效率尤為重要。

復合材料壓力容器自動纖維鋪設的質量和效率受褶皺和重疊缺陷的影響

AFP 復合壓力容器產生的皺紋和重疊缺陷會對其結構的完整性和性能產生嚴重的后果。

預浸料絲束的平面外彎曲在轉換過程中會引起皺紋缺陷，這可能導致：

區(qū)域間隙中含有樹脂

承載力降低

分層和故障的潛在起點

重疊性缺陷是由于相鄰預浸料絲束之間的縫隙造成的，可能會導致：

厚度分布不均勻

尺寸不準確，形狀扭曲

增加重量和材料的浪費

這一缺陷不僅損害了復合材料壓力容器的機械性能和可靠性，而且阻礙了AFP工藝的效率和生產率。主要問題包括：

由于人工檢查和修復缺陷，停機時間增加。

廢物率和材料消耗更高

生產周期更長，產量更低

很難達到一致的質量，尤其是對圓頂等復雜的幾何形狀

褶皺和重疊缺陷的影響超出了制造過程的范圍。復合材料壓力容器的終端用戶(如航天工程和船舶工業(yè))面臨以下相關風險和成本上升:

過早失效，縮短使用壽命

更加頻繁的維護和更換

潛在的安全隱患和責任問題

為制造商提供高質量、可靠性和成本效率的復合壓力容器，處理這些缺陷尤為重要。為了最大限度地減少或消除褶皺和重疊缺陷，提高生產效率，需要先進的放置路徑規(guī)劃解決方案。

3. 適用于橢圓形圓頂和圓柱體部分，結合無皺褶標準和無缺陷算法的新型路徑規(guī)劃方法

預浸料位置在左橢圓穹頂截面上無褶皺缺陷的鋪設視角范圍內

為解決復合壓力容器問題 AFP 作者提出了一種新穎的路徑規(guī)劃方法，將無皺紋標準和專門為橢圓形圓頂和圓柱體定制的無缺陷算法融為一體。

這種方法的主要特點：

橢圓形穹頂截面無褶皺放置路徑方程。

a.根據預浸料變形特性的皺紋缺陷標準推導

b.考慮到外殼的幾何結構，測量地線的曲率和最小半徑

c.可計算無皺褶鋪裝的視角范圍及纖維路徑

橢球穹頂截面無缺陷鋪設路徑規(guī)劃算法

a.實現無縫、無重疊、無褶皺的貼片

b.最佳鋪裝視角根據預浸料寬度和圓頂幾何結構確定。

c.確保光纖分布均勻，覆蓋全面

圓柱截面無褶皺貼片路徑方程。

a.分析推導基于穩(wěn)定橫截面和零高斯曲率。

b.為無皺紋可變視角放置提供理論依據

c.允許計算鋪裝視角范圍和光纖路徑

全覆蓋仿真和驗證

a.采用多個電路和偏移模擬連續(xù)放置過程

b.確定所需的電路數和芯棒的旋轉角度

c.確認均勻覆蓋和無缺陷放置路徑

具體放置橢圓形圓頂部的路徑

這種方法利用先進的計算方法和幾何分析來生成優(yōu)化的放置路徑，從而最大限度地減少缺陷，最大限度地提高效率。主要優(yōu)點包括:

直接生成鋪裝視角范圍和光纖路徑，減少反復試驗

適用于壓力容器的不同預浸材料和幾何結構

為了進一步完善優(yōu)化算法，

具有與 AFP 集成機械控制系統(tǒng)的潛力

4. 通過優(yōu)化運動控制參數，模擬和驗證無皺紋、無缺陷、全覆蓋的鋪設路徑，實現高質量、高效率的復合壓力容器自動化纖維鋪設

Y = 13、Y = 26、Y = 39 以及最終放置的電路的放置路徑方式

通過模擬和實驗驗證，提出的路徑規(guī)劃方法證明了它的生成。

分層運動及其在器皿表面的軌跡坐標系：（a）運動區(qū)域；（b）視角φ1和（c）視角φ2。

高質量、無缺陷的復合壓力容器放置路徑。

仿真結果：

橢圓圓頂部分的無褶皺放置路徑

a.纖維路徑產生于計算出的無皺褶鋪裝視角范圍內

b.與傳統(tǒng)的測地線路徑相比，已經證實可以減少皺紋的形成

橢圓形穹頂部分沒有缺陷放置路徑

a.實現均勻的纖維分布，無間隙或重疊

b.已經證明可以適應不同的圓頂幾何結構和預浸料總寬度

圓柱部分沒有褶皺放置路徑

a.對可變視角放置的分析方程進行驗證

b.決定消除圓柱區(qū)域的褶皺缺陷

全覆蓋模擬

a.對壓力容器的完整性和均勻性進行了驗證。

b.確定無縫過渡所需的心軸旋轉角度

預浸料鋪裝速度細分示意圖

實驗驗證：

在 AFP 實現設備上產生的放置路徑

對預浸料樣品的皺紋、間隙及重疊缺陷進行分析

與傳統(tǒng)路徑相比，確定缺陷明顯減少

對復合材料壓力容器的力學性能及加工精度進行了驗證。

優(yōu)化運動控制：

開發(fā)了 AFP 算法是機軸協調運動的。

控制輸入是根據優(yōu)化的放置路徑和鋪裝視角生成的。

實現預浸絲束的穩(wěn)定、精確鋪裝，最大限度地減少振動和影響

確認生產效率的提高和周期的縮短

模擬和實驗結論驗證了該方法在為復合材料壓力容器提供無褶皺、無缺陷和全覆蓋放置路徑方面的有效性。優(yōu)化運動控制保證 AFP 這些路徑在設備上可靠有效地執(zhí)行。

主要優(yōu)點：

提高復合材料壓力容器的結構完整性和性能

減少廢品率、材料浪費和人工維修

提高生產能力和成本效率

自動化和工業(yè)實施的潛力

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原標題：如何消除“復材信息”？ AFP 復合材料壓力容器制造中的褶皺和重疊缺陷

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