基于碳纤维复合材料的纤维缠绕工艺制造喷气发动机构件，以实现飞机红外隐身

在现代战争中，战斗机、轰炸机和无人作战飞机（unmanned combat aerial vehicles，UCAV）的隐身技术是通过确保空中优势来决定战争结果的重要因素。隐身是指一种避免敌人雷达和红外探测器探测的技术。在红外（IR）信号检测的情况下，飞机本身的热量，特别是高温发动机和后机身，发出的热辐射量最大。

    由于通过飞机发动机喷嘴设计来实现红外信号抑制至关重要，因此采用S形喷嘴（双蛇形喷嘴）以使发动机的高温部分不可见。此外，采用大展弦比（纵横比）出口形状来降低废气羽流温度的红外特征（图1）。多层复合材料用于满足发动机排气喷嘴制造的功能和结构要求。

图 1：a) UCAV 前视图以及进气管（绿色）和排气喷嘴（橙色）的 3D 图；b) 3 种不同几何形状的排气喷嘴；c) 应用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，具有优异的热稳定性和耐腐蚀性。最外层由碳纤维增强塑料（CFRP）组成，CFRP是一种轻质材料，可在轴向推力和内部压力下保持结构强度。最后，为了粘接和绝缘，在C-SiC和CFRP材料之间使用陶瓷材料。
    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），可以使用比其他复合材料预制工艺更便宜的纤维缠绕工艺制造零件。另一方面，根据长丝缠绕工艺将带有急弯的非圆柱形形状制成实际飞机产品的情况并不多。因此，为了用传统的纤维缠绕工艺均匀包裹非轴对称形状的外部，必须提前通过制造（CAD/CAM）设计工具进行精确的纤维放置并确定缠绕轨迹。
    通过纤维缠绕工艺制造飞机零件：在本案例研究中，仅使用碳纤维进行干式缠绕过程，以了解发动机排气喷嘴形状的成形性，并且需要最佳缠绕模式和角度设置，以防止纤维在双蛇形管附近滑动提前成型。对于非轴对称形状，可以通过用纤维缠绕模拟工具来成功执行纤维缠绕工艺的工艺优化（图2）。

图 2：使用 3D 图形查看器的缠绕模式模拟结果

非轴对称绕组仿真的关键策略
    Cadfil®有几种不同的缠绕非标准几何形状设计策略。由于该部件主要是一个复杂的管道（可变截面的多曲管），因此使用了一种基于相对于弯曲脊柱生成的螺旋路径的方法。这类似于相对于轴为直线的正常圆管的轴缠绕螺旋线。下面简要介绍了在Cadfil中创建缠绕路径的过程。
    首先，在CAD中，零件必须按照将要呈现给绕线机的方向进行定向，因此零件的X轴是心轴旋转轴。第二步是创建要研究的脊椎曲线。图2a显示了零件几何形状和几条脊柱曲线。红色曲线是初始设计，蓝色曲线是一个小的修改，允许在大直径端稍大的缠绕范围。心轴表面几何形状通过FEA或3D打印格式从CAD导出为三角形网格。Cadfil支持多种标准数据格式。曲线几何图形作为标准步长数据导出，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。
    下一步是用户对话框，为缠绕路径创建一组数据参数。参数包括曲面几何文件、步长文件和选取的曲线、要使用的脊柱曲线的范围（修剪）、起始的初始方向以及重要的是缠绕的螺旋间距。
    螺距实际上是围绕零件旋转的路径每次沿脊柱移动的距离。创建路径后，Cadfil软件计算路径的摩擦（防滑）要求，以便用户可以检查路径是否在可接受的范围内。可以创建并组合一组路径以形成绕组层，并且可以组合多组绕组层以形成完整的元件绕组。Cadfil拥有全套3D分析工具，可用于查看卷绕机的几何形状、厚度和3D运动。
    创建的路径可以导出到CAD、FEM模型或用于生成各种CNC或机器人络筒机的控制数据。本研究的最终目标是通过缠绕工艺使价格昂贵的碳化硅纤维在最外层制造排气喷嘴暴露在高温下。因此，在设计缠绕图案时，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 SiC 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距离第一个电路起始位置10mm的点（图2b）。从图2 c中可以看出，当电路总共重复6次时，所有间隙都被填满。如图2d所示，预计纤维将在弯曲部分的开始处聚集，但在其他区域将形成均匀的厚度分布。
    可以通过3D图形查看器（图2 e）预测缠绕过程中机器和芯轴之间的碰撞，在这种情况下，机器的移动不会受到芯轴的干扰。使用相对便宜的碳纤维束优化缠绕工艺条件。
    在实际过程中，预计纤维将沿曲面精细滑动。然而，经验证发现，纤维带的位置和角度通过调整纤维张力，可根据缠绕图案设计工具准确缠绕（图3）。

图 3：通过试验生成的绕组图案图像
    综上研究证实了非轴对称飞机复合材料的可行性，与其他复合材料制造工艺相比，采用低成本缠绕工艺可以降低生产成本，同时满足初始设计目标的零件。（来源：碳纤维技术及装备研究室）

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