基于隐形飞机喷气式发动机双S弯喷管的纤维缠绕工艺

【摘要】

韩国C2ES【1】和KCarbon【2】公司使用Cadfil软件【3】设计喷气式发动机的双S弯喷管，其合作成果已在JEC期刊【4】上发表。

在设计双S弯喷管时，必须提前通过工艺设计仿真工具（CAD/CAM）创建准确的纤维放置和缠绕轨迹。然而，对于非轴对称的缠绕仿真，是相当困难的。

有几种不同的缠绕非标准几何形状的设计策略。因为双S弯喷管是一个复杂的管道（可变截面的多弯曲管），所以使用了基于相对弯曲脊柱生成的螺旋路径的方法。这类似于相对轴线为直线的普通圆管的缠绕螺旋线。

关键词：非轴对称绕组仿真、纤维缠绕工艺仿真

基于隐形飞机喷气式发动机双S弯喷管的纤维缠绕工艺

在现代战争中，战斗机、轰炸机和无人作战飞行器 (UCAV) 的隐身技术是通过确保空中优势来决定战争胜负的重要因素。隐身是指一种避免被敌方雷达和红外探测器探测到的技术。在红外（IR）信号检测的情况下，飞机本身的热量，尤其是高温的发动机和后机身发出的热量辐射量最大。

由于必须设计飞机发动机喷嘴以实现红外信号抑制，因此应用了S形喷嘴（双S弯喷管），以使发动机的高温部分不可见。此外，采用大纵横比的出口形状来降低废气羽流温度的红外特征（图 1）。多层复合材料需满足发动机排气喷嘴的功能和结构要求。

图1 (a) UCAV进气管（绿色）和排气喷嘴（橙色）的3D草图 (b) 3种不同几何形状的排气喷嘴
(c) 应用不同喷嘴后的红外特征模拟结果

喷嘴的最内层由碳纤维增强碳化硅 (C-SiC) 复合材料制成，具有出色的热稳定性和耐腐蚀性。最外层由碳纤维增强塑料 (CFRP) 组成，这是一种轻质材料，可保持结构强度以抵抗轴向推力和内部压力。最后，为了粘合和绝缘，在C-SiC和CFRP材料之间使用了陶瓷材料。

采用纤维缠绕技术的非轴对称形状

对于简单的轴对称喷嘴结构（圆柱形/圆形喷嘴），可以使用纤维缠绕工艺，这比其他复合材料预成型工艺更便宜。另一方面，对于具有急弯的非圆柱形的飞机组件，使用纤维缠绕工艺是极具挑战的。因此，为了用传统的纤维缠绕工艺均匀地包裹非轴对称形状的外部，必须提前通过CAD/CAM工艺设计仿真工具创建准确的纤维放置和缠绕轨迹。

通过纤维缠绕工艺制造飞机零件

在本案例研究中，为了了解发动机排气喷嘴形状的可成型性，仅使用碳纤维进行干式缠绕过程，并且需要最佳缠绕模式和角度设置以防止纤维在附近滑动。通过商业纤维缠绕模拟工具来执行非轴对称形状的成功纤维缠绕工艺的优化工艺条件。

非轴对称绕组仿真的关键策略

有几种不同的缠绕非标准几何形状的设计策略。因为这个组件主要是一个复杂的管道（可变截面的多弯曲管），所以使用了一种基于使用相对于弯曲脊柱生成的螺旋路径的方法。这类似于相对于轴线为直线的普通圆管的轴线缠绕螺旋线。下面简要总结了在Cadfil中创建蜿蜒路径的过程。

图2 使用Cadfil软件设计双S弯喷管

首先，在CAD中，零件必须按照将要呈现给缠绕机的方向进行定向，以便零件的X轴是心轴旋转轴。第二步是创建缠绕曲线。图2显示了零件几何形状和几条缠绕曲线。红色曲线是最初的设计，蓝色曲线是一个小的修改，允许在大直径端稍微更大的缠绕范围。心轴表面几何图形通过FEA或3D打印格式从CAD导出为三角网格。Cadfil支持多种标准数据格式。曲线几何图形作为标准STEP数据导出，是由直线、圆弧或复杂样条曲线组成的完全通用的复合曲线。

下一步是一个用户对话框，用于为蜿蜒的路径创建一组数据参数。参数包括曲面几何文件、步进文件和选取的曲线、要使用的缠绕曲线的范围（修剪）、起始的初始方向以及缠绕的螺距。

间距实际上是围绕零件的路径每旋转一次沿脊椎行进的距离。创建路径后，Cadfil软件计算路径的摩擦（防滑）要求，以便用户检查它是否在可接受的范围内。可以创建一组路径并将其组合成一个绕组层，并且可以组合多组绕组层以形成一个完整的组件绕组。Cadfil 拥有一整套3D分析工具，可用于查看缠绕机的几何形状、厚度和3D运动。创建的路径可以导出到CAD、FEM模型或用于为各种CNC或机器人缠绕机生成控制数据。

这项研究的最终目标是使用高价碳化硅纤维，通过缠绕工艺制造暴露在高温下的最外层排气喷嘴。

因此，在设计缠绕模式时，可以通过将带间距离（间距）设置为多于一个纤维带宽来使用最少数量的碳化硅纤维（图2a）。

为了填补频带之间的间隙，将第二个电路的起始位置设置为从第一个电路的起始位置偏移10毫米的点（图2b）。
从图2c可以看出，当路径总共重复6次时，所有间隙都被填充了。

如图2d 所示，预计纤维会在弯曲部分的开始处聚集，但在其他区域会形成均匀的厚度分布。
通过3D图形查看器（图2e）可以预测缠绕过程中机器与芯轴之间的碰撞，在这种情况下，机器的运动不受芯轴的干扰。

使用一种相对便宜的碳纤维束来优化缠绕工艺条件。在实际过程中，预计纤维滑动将沿着弯曲的表面发生。然而，经证实，使用Cadfil纤维缠绕仿真软件可以准确模拟缠绕纤维带的位置和角度（图3所示）。

图3 通过试验生成的绕组（由K-Carbon提供）

结论

该研究证实了非轴对称飞机复合材料部件的可行性，与其他复合材料制造工艺相比，该复合材料部件可以通过应用低成本的缠绕工艺来降低生产成本，同时满足初始设计目标。

【注释】

【1】气候和能源解决方案中心（C2ES）制定实用和创新的解决方案来应对气候变化，并与领先企业合作，以加快气候进步。

【2】韩国碳产业振兴院 (KCARBON)是一家韩国的创新机构，旨在通过商业和研究支持推动韩国碳产业生态系统的发展。

【3】Cadfil是一款专业的纤维缠绕工艺仿真软件，中国区总代理为“上海庭田信息科技有限公司”

【4】JEC（Journal of Energy Chemistry）期刊是SCI化学类分区1区期刊，中文名称《能源化学》，ISSN号为2095-4956。