１数字化与自动化制造技术
除固体火箭发动机壳体、压力容器等回转体结构以缠绕工艺制造为主外，对于飞行器重要复合材料结构主要还是以热压罐工艺生产，并围绕该工艺出现了各种整体化成型技术和自动化制造技术［１］。
１．１数字化制造技术
数字化制造是当今世界制造业发展的趋势，近年来，数字化以其柔性好、响应快、质量高、成本低，正逐渐成为先进制造技术的核心［２］。在传统的复合材料研制模式中，设计、分析及制造之间的数据是通过模拟量传递，构件质量在很大程度上依赖于工人的经验和熟练程度。而通过在复合材料构件研制过程中引入数字化技术，可以保证设计、分析、制造数据源的唯一，做到复合材料ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化，便于数字量传递，减少研制时间，加快研制进度。复合材料构件数字化制造过程涉及到的技术主要包括：可制造性分析、复合材料构件铺层展开、模具和夹具的快速设计、模架的选型及快速设计、工装零组件的快速装配技术、铺层排样技术、数控下料技术、激光定位技术、成型工艺的仿真及优化技术、工程数据管理系统、数据传递接口技术等［３］。以美国为首的西方发达国家首先采用了数字化技术。这项技术以全面采用数字化产品定义、数字化预装配、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术为主要标志，从根本上改变了复合材料传统的设计与制造方式，大幅度提高了制造技术水平［４］。目前，世界先进的飞机制造商已经利用数字化技术实现了飞机的“无纸化”设计和生产，美国波音公司在Ｂｏｅｉｎｇ７７７和洛克希德•马丁公司在Ｆ３５研制过程中，采用数字制造技术与传统方式相比，研制周期缩短了２／３，研制成本降低了５０％，开辟了航空数字化制造的先河［５］。中国中航工业集团针对某机型复合材料制件的生产［６］，建立了中国首个航空复合材料制件的数字化技术生产系统，依托数字化技术和数据库系统的支撑，通过数据库与生产线的数据交换接口系统，实现数据库与数字化生产线对接，将产品结构设计、车间ＭＥＳ系统、工装设计生产、固化成型、无损检测、装配等实现数字化，并将各环节的软件接口进行对接，打通了复合材料制件数字化制造过程，起到提高产品质量、缩短研制周期，进一步减轻结构质量的目的。在中国民用飞机研制中也将复合材料构件设计制造技术与数字化技术相结合，以实现复合材料构件设计与制造各环节数字化、数据流畅通和复合材料构件在并行工作模式下的设计、工艺、制造、检测全过程的集成，促进飞机复合材料构件的大面积使用和降低制造成本。
１．２自动化制造技术
采用预浸料／热压罐工艺制备复合材料结构，首先需要按设计要求将一定尺寸、形状、数量的预浸料在模具上铺叠成层合结构的坯料，然后再将其放入热压罐中固化。预浸料坯料，即预浸料预成型体的制备是整个制造过程中周期最长、劳动强度最大的工艺环节，也是决定复合材料制造质量的关键。传统的预浸料／热压罐工艺采用下料、人工铺贴、预压实的方式进行预浸料预成型体的制备，存在时间长、成本高、工艺质量不易控制、大型制件难以制造等问题。因此如何实现预浸料预成型体的机械化、自动化制造成为了复合材料结构低成本高品质制造技术的核心［７］，近些年涌现出自动铺放技术、热隔膜技术、机械变形成型技术等，在极大提高生产效率的同时，保证了成型质量的稳定性。１．２．１自动铺放技术自动铺放技术包括自动铺丝（ＡＦＰ）和自动铺带（ＡＴＬ），共同特点是使用预浸料实现预成型体的数字化、自动化制造。ＡＴＬ技术主要用于机翼壁板等小曲率、平面类结构成型，ＡＦＰ技术主要用于机身等大曲率复杂结构成型。自动铺带技术集预浸料裁剪、定位、铺贴、压实等于一体，其自动化成型ＣＡＤ／ＣＡＭ技术涉及原材料选择、材料设计、产品结构与铺层设计、线型设计、工艺制度设计、运动参数计算、成型加工与检测、模具技术等多方面［８］。根据复合材料预浸带的特性，自动铺带ＣＡＤ／ＣＡＭ软件开发中都要遵循“自然路径”的概念［９］，否则会出现纤维的褶皱、预浸带难以贴合模具表面以及预浸带之间留下缝隙等缺陷；而自动铺丝技术中，各预浸纱独立输送，不受自动铺带中“自然路径”轨迹限制，铺放轨迹自由度更大，甚至可实现连续变角度铺放，但不同的铺放轨迹可能会影响生产效率以及制件的成型质量。由此可见，对于自动铺放工艺，铺放轨迹的设计是控制工艺质量的核心，而通过计算机模拟铺放过程，定义并优化铺放轨迹是主要途径。美国Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ公司［１０］以ＣＡＴＩＡ为基础开发的ＡＣＲＡＰＡＴＨ可实现离线的模型导入、轨迹生产、后处理、仿真和代码生成等功能；ＶＩＳＴＡＧＹ［１１］公司的ＦｉｂｅｒＳＩＭ软件不仅能够实现调用工程软件中的铺放模型，而且还能够自动生成铺带代码文件，兼容常见的ＣＡＴＩＡ、ＮＸ和ＰｒｏＥ等工程软件；西班牙Ｍ－Ｔｏｒｒｅｓ公司以ＣＡＴＩＡ为基础开发了方便编程的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件模块；法国Ｆｏｒｅｓｔ－ｌｉｎｅ公司采用法国纯粹和应用数学中心（ＣＩＭＰＡ）ＳＡ注册的ＴａｐｅＬａｙ软件设计并集成到ＣＡＴＩＡＶ５的ＣＡＭ模块，能够实现铺带轨迹规划线型的比较与仿真［１２］。国内相关方面研究起步相对较晚，主要是样机研制、产品试制以及技术储备阶段。在自动铺带方面，肖军等［１３］根据微分几何理论证明了在可展曲面上“自然路径”与测地线的等价，并基于ＡｕｔｏＣＡＤ环境，应用弧长展开变换方法构造了柱面铺带轨迹算法，开发了具有机器代码生成的仿真软件，能够实现给定形状、给定铺层构件的铺带轨迹生成、后置处理与加工指令生成。在自动铺丝方面，肖军等［１４］开发了基于ＯｐｅｎＧＬ的自动铺丝运动模拟设计与仿真软件和基于ＣＡＴＩＡ的自动铺丝ＣＡＤ／ＣＡＭ软件原型，选取初始参考线，构建适当的曲面等距平移进行轨迹规划和选取合适的参考轴线，并构造曲面与该轴线固定角度的迭代格式。同时，韩振宇等［１５］研究并开发了能够实现仿真纤维铺放路径规划的软件系统，利用平行投影定理实现铺放轨迹在网格单元共享顶点处良好衔接，提出并验证了等距偏置算法。１．２．２基于自动铺带的曲率结构成型技术航空复合材料中加筋壁板结构十分常见，其筋条由于曲率加大，难以直接采用自动铺带工艺制备，而采用自动铺丝工艺效率偏低。为此常采用自动铺带工艺先制备平板预浸料坯料，然后采用热隔膜工艺或机械变形工艺将其成型为带曲率预制件，可以得到Ｌ型、Ｃ型、Ｉ型等筋条。１）热隔膜成型工艺对于复合材料，热隔膜工艺［１６］最初是用于热塑性复合材料的制造，而后发展为带曲率热固性复合材料预制件的重要成型方法。该技术先将自动铺带机或人工铺覆成的平板结构放置于热隔膜成型机上，平板结构表面覆盖一种延展性和强度较高的隔膜，在隔膜内部抽真空，利用负压和红外辐射加热，将平板结构整体贴合模具成型，从而压实成具有曲面结构的预制件，如图１所示。工艺过程中复合材料受热温度较低，未发生明显固化，因此需再用热压罐等工艺进行固化。该方法非常适合于大型曲面复杂件，如梁和长桁的制造，预成型型面精度容易控制，并且自动化程度高，劳动力成本低。热隔膜成型过程中预浸料铺层之间、预浸料与模具表面以及预浸料与热隔膜之间均发生着复杂的摩擦行为，还涉及到红外加热、模具预加热带来的温度场变化，需要控制合理的预浸料滑移量和滑移速度，才能避免预制件中发生纤维褶皱等缺陷。作者团队［１６－１８］针对热固性单向带，研究了热隔膜成型过程中Ｃ型预成型体和模具温度的变化规律以及成型温度、预成型体尺寸、成型速率对试件表面质量和内部缺陷的影响，并建立了预浸料滑移摩擦力测试方法，发现通过调控工艺温度和抽真空速率，可以改变预浸料滑移摩擦力的大小和滑移量，最终影响复合材料的工艺质量。借助计算机模拟技术，可以分析热隔膜工艺中温度场和预浸料的滑移状态。如Ｐａｎｔｅｌａｋｉｓ和Ｂａｘｅｖａｎｉ［１９］研究了热隔膜工艺的产品质量及成本的最优条件；Ｌａｂｅａｓ等［２０］通过有限元方法研究了红外辐射加热对热隔膜成型过程温度分布的影响；Ｓｍｉｌｅｙ和Ｐｉｐｅｓ［２１］通过数值模拟分析了热塑性复合材料在隔膜成型过程中的变形行为；Ｋｒｅｂｓ［２２］和Ｍａｌｌｏｎ［２３］等对碳纤维／ＰＥＥＫ复合材料双隔膜成型过程进行了研究，考虑了包括模具形状、层板厚度、铺层方式、隔膜种类等在内的影响成型质量的因素，并进一步分析了预浸料铺层的滑移变形过程。下一步研究趋势应为实现热隔膜成型全过程的有限元模拟，包括温度变化情况以及变形过程应力分布的预报。２）机械变形成型工艺机械方式的变形成型工艺，其实质是热隔膜成型工艺的发展。热隔膜在成型时只有一个真空负压的作用，难以成型厚度较大的层板，而采用机械压力则可以完成厚层板的变形，得到带曲率预成型体。该技术依然是利用自动铺带技术将预浸料铺叠成平板，然后利用机械的方式将平板贴向具有一定曲面构型的模具，预浸料平板一端被设备对压运动机构固定，另一端放置在成型机构端的上下加热片间，加热后，预浸料层在设备下压运动的机械作用下成型成Ｌ型制件，并可通过对压运动机构的相对运动成型成Ｔ型制件，最后利用热压罐等工艺固化得到制件成品。机械方式的变形成型工艺易于工厂自动化生产和流水线作业，对提高梁结构制件的生产效率具有重要意义。这类成型工艺最早曾用于制造ｗｅｓｔｌａｎｄ３０－３００直升机的热塑性基体复合材料水平安定面。目前，空客已将机械方式的变形成型工艺运用到Ａ３５０ＸＷＢ机翼长桁的自动化生产线上。
１．３整体化成型技术
易于实现大面积整体成型是复合材料制造的显著特点之一，对于飞行器结构而言，大面积整体成型复合材料在满足结构总体性能要求的前提下，可以大幅减少零件与紧固件数目，从而减轻结构质量、降低成本，特别是装配成本，这是美国ＣＡＩ计划解决的主要关键技术之一。１）基于热压罐成型的共固化技术对于热压罐工艺而言，整体成型的关键是共固化／共胶接（Ｃｏｃｕｒｅｄ／Ｃｏｂｏｎｄｅｄ）技术。在国防和民用飞行器方面，复合材料大面积整体成型技术均发展迅速，获得了显著效益，如Ｆ－２２和Ｆ－３５机翼均由４块整体成型机翼壁板构成，Ｂ－２外翼由两块大的外翼蒙皮构成；大型客机方面，Ａ３８０中央翼、Ｂｏｅｉｎｇ７８７机身和机翼、空客Ａ３５０ＸＷＢ机翼都采用了复合材料整体化结构［２４］。目前对于大型复杂构件，如大尺寸变厚度结构、多筋厚蒙皮结构和整体框、梁等结构的整体成型技术，如何实现大型复合材料构件整体化成型与结构设计分析相结合，提高质量控制精度是目前的研究重点。此外，结合自动铺放技术的整体化成型技术已成为航空复合材料结构的首选工艺。例如Ｂｏｅｉｎｇ７８７的所有翼面及翼盒构件均采用自动铺带技术制造，机身段采用自动铺丝技术制造。Ａ３８０的尾锥、Ａ３５０ＸＷＢ的尾锥和Ｃ形梁使用自动铺丝工艺制成，如图２所示。Ｖ－２２飞机的后机身，Ｆ－２２和Ｆ－３５复合材料的Ｓ形进气道采用自动铺丝技术制造［２５］。２）预浸料／液体成型的共固化技术预浸料工艺的高性能和液体成型工艺的低成本，促使制造技术人员考虑将两者结合，取长补短，在性能和成本上做出平衡，由此预浸料／液体成型共固化工艺应运而生。该工艺原理［２６］是将预浸料铺层和干纤维预成型体组合在一起，将树脂注入干纤维预成体中，进一步使其与预浸料铺层一同固化形成一个整体，预浸料铺层主要用于蒙皮结构，干纤维预成型体主要用于筋条、凸台、连接部分等复杂结构。该工艺可以通过改变预浸料铺层、干纤维预成型体的结构和组合方式，制造复杂形状构件，可以大幅度减少零件、紧固件的数量和装配工序，并且简化了模具设计和树脂充模过程，从而降低了制造成本，减轻了制件质量。此外，预浸料铺层和干纤维预成型体可以根据要求选择不同种类的树脂、纤维和织构形式，从而灵活地设计制件的性能。典型的预浸料／液体成型共固化工艺包含树脂传递模塑／预浸料共固化工艺（Ｃｏ－ｃｕｒｉｎｇＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ，Ｃｏ－ＲＴＭ）、真空灌注／预浸料共固化工艺（Ｃｏ－ｃｕｒｉｎｇＶａｃｕｕｍＡｓｓｉｓｔａｎｔＲｅｓｉｎＩｎｆｕｓｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ，Ｃｏ－ＶＡＲＩ）、树脂膜熔渗／预浸料共固化工艺（Ｃｏ－ｃｕｒｉｎｇＲｅｓｉｎＦｉｌｍＩｎｆｕ－ｓｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ，Ｃｏ－ＲＦＩ），如图３所示。共固化液体成型工艺用于飞机承力结构，被证明是一种极具发展前途的复合材料低成本整体成型制造技术。例如，Ｃｏ－ＲＴＭ工艺首先由美国ＮｏｒｔｈｒｏｐＧｒｕｍ－ｍａｎ公司［２７］提出，用于生产大型整体复合材料制件，继而在美国ＣＡＩ计划中得到进一步发展。Ｆ－３５垂直安定面采用自动铺带的Ｃｏ－ＲＴＭ工艺制造，制造成本降低１．４万美元，质量减少７％，零件数减少５２％，模具数减少３８％；Ｆ－３５采用三维编织加强筋和丝束铺放的Ｃｏ－ＲＴＭ工艺制造整体进气道，紧固件减少９５％，减重３６．４ｋｇ，成本降低２０万美元。欧洲“ＣｌｅａｎＳｋｙ”计划［２８］中包含了Ｃｏ－ＲＦＩ工艺，采用该工艺制备的复合材料力学性能达到了所用的ＯｏＡ（ＯｕｔｏｆＡｕｔｏｃｌａｖｅＰｒｏｃｅｓｓ）预浸料强度的水平。作者团队［２９－３５］对Ｃｏ－ＲＦＩ和Ｃｏ－ＶＡＲＩ工艺开展了研究，通过对加筋壁板制备工艺的研究，证明Ｃｏ－ＶＡＲＩ获得的力学性能低于预浸料／热压罐工艺，而高于ＲＦＩ工艺，预浸料部分与ＲＦＩ部分的结合界面性能优异，同时工艺周期短，有望用于民机复合材料结构的制造。航天特种材料及工艺研究所采用Ｃｏ－ＲＴＭ工艺制备复杂弹体结构，简化了模具结构和工序，提高了成品率、降低了工艺时间。
２新型低成本制造技术
２．１非热压罐技术
非热压罐技术常被称为ＯｏＡ，是相对于传统的热压罐成型技术而言的，指不用热压罐而制造出具有与热压罐工艺相同性能和质量的复合材料制件［３６］。广义上来说，凡是不使用热压罐设备的复合材料制件的成型方法，都可以称之为非热压罐成型技术。目前为止，在航空航天制件中获得应用的非热压罐成型技术主要有以下几种［３７］：非热压罐预浸料技术、液体成型技术、先进拉挤成型技术、预浸料模压成型技术等。在这些技术中，由于非热压罐预浸料技术更接近于传统的热压罐成型工艺，有着广泛的手工铺贴和自动铺贴的工艺基础，因而被视为最有可能大规模实现的非热压罐成型技术。非热压罐预浸料技术是以预浸料层合结构为主，沿用手工铺贴和自动铺贴，最后采用真空袋工艺固化的方法。为了满足制造质量和机械性能与热压罐工艺相当，主要需解决仅在真空压作用下如何保证足够高的纤维含量和满足要求的较低孔隙率水平，而采用具有适当流动特性的树脂体系，并制备出部分浸润纤维的预浸料是实现这一目标的关键，它能保证即使制备厚制件时树脂也能在低压下充分流动，保证纤维密实从而获得高的纤维含量；同时在真空作用下部分浸润形成的预浸料坯料内部通道，能够保证挥发充分和夹杂空气充分排除，获得低的孔隙率。目前，国外的预浸料制造商已研发出多种用于ＯｏＡ工艺的预浸料体系，用于制造飞机的非承力、次承力、主承力结构。如英国ＡＣＧ公司［３８］推出的ＭＴＭ４４－１环氧预浸料体系已经通过了空客公司的认证，将应用于飞机的主承力结构，ＭＴＭ４４－１已经在ＡＬＣＡＳ（ＡｄｖａｎｃｅｄＬｏｗＣｏｓｔＡｉｒｃｒａｆｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）计划中应用于制造民机机翼中央翼盒下壁板、商务机机翼平台、机翼Ｃ型梁试验件、Ｃ－１７运输机后缘等飞机结构件演示验证件。ＡＣＧ公司的ＭＴＭ４５－１正在空客认证过程中，已经在美国“先进复合材料货运飞机”（Ａｄ－ｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＣａｒｇｏＡｉｒｃｒａｆｔ）计划中得到了初步应用，ＭＴＭ４５－１被作为该计划验证机全复合材料机身结构材料。美国Ｈｅｘｃｅｌ公司［３９］的ＨｅｘＰｌｙ?Ｍ５６、Ｃｙｔｅｃ公司的Ｃｙｃｏｍ?５２１５预浸料也在民用航空领域有好的应用前景，如图４所示。航天方面，ＮＡＳＡ［４０］采用ＯｏＡ制造航天器大型复合材料构件，如复合材料乘员舱（Ｃｏｍｐｏｓ－ｉｔｅＣｒｅｗＭｏｄｕｌｅ，ＣＣＭ）、直径达１０ｍ的太空发射系统的有效载荷整流罩等；ＡＣＧ推出的ＬＴＭ４５系列材料应用于Ｄｅｌｔａ火箭筒段等结构。国内的研究尚处于起步阶段，中航工业集团公司［４１］研制出“ＶＢ”系列真空袋固化树脂体系与Ｔ７００ＳＣ碳纤维配合，制成的预浸料在真空袋压成型下能达到１％的孔隙率。图４非热压罐预浸料Ｍ５６制备的厚层板照片Ｆｉｇ．４ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｉｃｋｌａｍｉｎａｔｅｍａｄｅｏｆＭ５６ｏｕｔｏｆａｕｔｏｃｌａｖｅｐｒｅｐｒｅｇ微波固化［４２］属于新兴的非热压罐固化技术。与热压罐和烘箱的表面加热技术不同，微波固化属于体积加热，通过电磁作用使制件整体均匀快速加热，热量传递滞后问题被大大减弱，固化效率提高的同时减少了能耗，微波固化设备如图５所示。英国ＧＫＮ［４３］宇航公司在微波固化技术商业化方面开展了大量工作，该公司采用微波技术和商业化的环氧预浸料制备了飞机襟翼加筋壁板等复合材料结构，如图６所示，发现与热压罐工艺相比，固化质量相当，而工艺时间缩短４０％，能耗减少８０％。需要注意的是，由于不同材料对微波的吸收和反射特性不同，应充分掌握复合材料、模具、工艺辅助材料吸收微波能量的特性，以合理设计工艺条件。
２．２液体成型
液体成型技术（ＬＣＭ，ＬｉｑｕｉｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＭｏｌｄｉｎｇ）［４４］是一种世界公认的低成本制造技术，在航空航天领域发展十分迅速，主要包括树脂传递模塑成型ＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）、树脂膜熔渗成型ＲＦＩ（ＲｅｓｉｎＦｉｌｍＩｎｆｕｓｉｏｎ）、真空辅助树脂灌注成型ＶＡＲＩ（ＶａｃｕｕｍＡｓｓｉｓｔａｎｔＲｅｓｉｎＩｎｆｕｓｉｏｎ）等。这些技术不采用预浸料，投资较小、生产效率高、能耗低，同时采用二维、三维编织及多向针织、缝编等技术制备纤维预成型体，克服了传统复合材料层间强度低、易分层的弱点，提高了复合材料的抗损伤能力。目前液体成型技术在航空航天承力结构上获得了越来越多的应用，如美国Ｆ－２２［４５］的３６０个零件采用ＲＴＭ工艺制造，包括机翼正弦波梁、尾翼工字形梁、肋、机身框、襟副翼等；空客Ａ３８０的机翼后缘和后压力隔框，Ｂｏｅｉｎｇ７８７机身的大部分隔框等均采用ＲＦＩ工艺制造［４６］；ＶＡＲＩ工艺则已用于大型机翼蒙皮、前机身、机翼翼梁、垂尾、运输机货舱门、弹道导弹仪器舱段的制造［４７］。此外，国内外也开始将Ｚ向增强技术与液体成型工艺相结合，具有工艺成本低，整体化程度高且界面连接强度大等优势［４８］。由于对树脂体系低黏度等工艺性要求，其ＬＣＭ工艺的树脂基体增韧受到限制，使得制备的复合材料韧性普遍低于预浸料／热压罐工艺，而纤维预成型体增韧技术成为了解决这一问题的重要途径［４９］。美国Ｃｙｔｅｃ公司开发出一种称为“Ｐｒｉ－ｆｏｒｍ”的液体成型工艺，该工艺将热塑性纤维与增强纤维编织，热固性树脂充模保温过程中热塑性纤维熔于热固性树脂中，在实现对复合材料增韧的同时不影响充模树脂优良的流动性，获得工艺质量易控、韧性优异的复合材料。益小苏和杜善义［５０］发明了ＥＳＴＭ（ＥｘＳｉｔｕＴｒａｄｅｍａｒｋ）织物，该织物表面以点阵方式附着了增韧剂，在不影响树脂充模的前提下极大提高了复合材料韧性。为了进一步降低成本、扩大适用范围，新型的液体成型技术也不断涌现。例如澳大利亚Ｑｕｉｃｋｓｔｅｐ公司［５１］推出了新型的液体成型工艺，如图７所示，将模具漂浮于导热流体中，基于流体导热的优势，实现快速加热或快速冷却，热量传递速度比热压罐工艺快２５倍，加热速率可达到２２℃／ｍｉｎ。该技术已用于制造Ｆ－３５战斗机的垂直尾翼翼梁等复合材料结构。美国Ｈｅｘｃｅｌ公司开发了能够铺放干纤维的自动铺放设备和单向带ＨｉＴａｐｅ?，实现了干纤维预成型体的自动化制备，然后进行树脂注射或灌注工艺，固化得到制件的纤维含量可以达到６０％，其力学性能与热压罐工艺相当，因此有望用于飞机主承力结构。
２．３预浸料拉挤成型技术
拉挤成型是一种连续生产复合材料型材的工艺，一般在牵引力的作用下纤维丝束浸渍树脂后通过模具进行预成型和固化，其自动化程度较高。先进拉挤成型技术简称ＡＤＰ（ＡｄｖａｎｃｅｄＰｕｌｔｒｕ－ｓｉｏｎ），是直接对预浸料进行拉挤成型的自动化生产工艺，尤其适合生产各类直线性、固定截面的型材。ＡＤＰ成形技术综合了手工预浸料铺叠力学性能优势和拉挤成形自动化的优势，根据最终型材外形和性能要求，选择预浸料的合适宽度、预浸料层数和铺层方向。由于原材料采用的是预浸料，可以根据构件的设计要求，实现任何铺层（包括单向和±４５°织物预浸料）的组合。由于空客Ａ３８０、Ａ３５０、Ｂｏｅｉｎｇ７８７、Ａ４００Ｍ等大型飞机大量使用复合材料筋肋与蒙皮共固化的工艺技术，采用ＡＤＰ技术制造的长桁和梁类构件容易实现制件固化度的控制，达到一定固化度的型材既能保持截面形状又能在热力作用下通过微变形适应不同型面，如翼面、机身壁板，最终与壁板共固化得到加筋壁板结构件［５２－５３］。采用ＡＤＰ技术制造的复合材料型材自１９９６年开始应用于Ａ３３０－２００的垂尾以来，空客所有垂尾上复合材料的拉挤构件全部改用日本ＪＡＭ－ＣＯ公司ＡＤＰ型材，这些型材通过热压罐共固化与翼面蒙皮复合。同样，近年投入航线运营的空客Ａ３８０机体结构中也大量使用了采用ＡＤＰ成形技术生产的梁、桁构件，不仅在垂尾中大量采用了拉挤型材，而且机身客舱地板工字梁也采用了ＡＤＰ制造，受载很大［５４］，如图８所示。
２．４连续纤维增强热塑性复合材料制造技术
以往的热塑性树脂基复合材料因力学性能偏低、尺寸稳定性差等问题，在飞行器结构上鲜有应用。然而随着聚醚醚酮（ＰＥＥＫ，Ｐｏｌｙ－ｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、聚苯硫醚（ＰＰＳ，Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙ－ｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ）等航空级高性能热塑性树脂基体及其连续纤维复合材料的出现，使其在飞行器上的应用受到了广泛关注。例如，ＰＥＥＫ预浸料已经应用在Ｆ１１７Ａ的全自动尾翼、Ｃ－１３０机身的腹部壁板、法国阵风机身蒙皮等，空客Ａ３４０／Ａ３８０飞机机翼前缘应用了玻璃纤维增强的聚苯硫醚复合材料［５６－５８］。Ｆｏｋｋｅｒ公司目前正在开发碳纤维增强聚醚酮酮热塑性复合材料相关技术，拟用在下一代商业飞机的主承力结构上，目前已经做出了扭矩盒示范件，如图９所示。该扭矩盒长达１２ｍ，通过感应焊接法将加强筋焊接在扭矩盒上。连续热塑性复合材料的制件成型工艺主要有热折工艺、隔膜成型、模压工艺、纤维缠绕成型、辊压成型、拉挤成型等［５９－６２］。其中纤维缠绕成型以其高效、稳定的特点使其应用越来越广泛。此外，适用于热塑性复合材料的自动铺放工艺也在美国、加拿大以及欧洲等国获得研发。热塑性预浸料黏性极低，需要铺放头有较高的加热能力才能实现铺放，通常采用激光加热的方式。此外，与热固性树脂基复合材料的自动铺放工艺不同的是，热塑性复合材料在铺放时若温度和压力适宜，铺放后可以达到足够的密实程度，有可能不需要再进行热压罐固化，从而进一步降低制造成本。
３复合工艺理论与制造模拟
复合材料工艺过程发生着物理、化学、物理／化学耦合、热／力耦合等复杂变化，影响因素多，变化不可逆，若不能掌握这些变化之间的内在联系及对最终产品的影响，工艺质量将难以控制，采用大量实验和经验摸索出的工艺方案适用性较差。为此，大量研究关注了复合材料工艺各环节的基础理论问题，并且试图用各种物理模型和数学模型进行定性和定量的描述，为制造方案的制定和优化提供依据。此外，复合材料工艺模型通常较为复杂，难以得到解析解，因此借助计算机对其进行分析，模拟工艺过程，可以得到温度、压力、固化度、纤维分布、内应力等重要参量随时间、位置的变化数据，进而评估制造缺陷的程度，优化工艺参数［６３］。液体成型理论分析与模拟早有报告，并较成熟，而针对热压罐工艺成型固化过程的相关理论分析和模拟难度大，但很重要。
３．１复合材料传热行为
热压罐内存在着罐内气体与模具、复合材料成型封装体系的热量交换以及复合材料构件内部的热量变化。两个温度场保持相对独立稳定性的同时又存在着相互影响，造成整个体系内复杂的温度分布情况，直接影响复合材料成型质量［６４－６８］。热压罐内温度场多采用笛卡儿坐标系下的Ｎ－Ｓ控制方程来描述，利用计算流体力学中连续、运动、能量的非定常三维Ｎ－Ｓ方程，以及反映湍流特性的湍流模型建立反映热压罐内强迫对流换热的温度场三维非定常有限元模拟方法。模拟方法可以实现热压罐内的模具温度分布情况的预报，并可以对温度场工艺参数、模具结构参数和罐内摆放位置等因素进行研究，优化罐内温度分布情况［６９－７２］。
３．２复合体系传质与传压行为
纤维密实／树脂渗流是指在外加压力作用下，复合材料成形体内树脂相对于纤维而流动，并导致纤维堆积和排列状态发生变化。为实现复合材料成型过程中纤维密实与树脂渗流的模拟分析，基于达西定律和质量守恒定律，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ提出了波浪式密实模型，Ｇｕｔｏｗｓｋｉ提出了海绵式密实模型［８０］，作者团队提出了渐进式双重密实理论模式，使用有限元方法建立了一维、二维模拟方法分析各种参数对密实的影响。３．３应力与变形材料的热胀冷缩反应、树脂固化收缩效应以及复合材料与模具材料在热膨胀系数上的巨大差异，使得制件结构内部将不可避免地产生残余应力，进而引起复合材料结构件在脱模后产生回弹变形以及翘曲变形，使构件在室温下的自由形状与预期的设计形状存在一定的差异，即产生固化变形［８７－９２］。热应变的产生是由于在复合材料固化成型过程中，复合材料的温度受热传递和树脂固化反应放热的影响，不断产生变化，当温度增高时，复合材料受热膨胀，当温度下降时，复合材料收缩，从而产生了随温度而改变的热应变。在复合材料的固化成型过程中，树脂基体发生交联固化反应，使复合材料产生体积收缩，由于复合材料内部固化度的不一致，各部分的收缩并不相同，从而导致了化学收缩应变的产生［９３－１００］。复合材料成型过程的固化变形模拟的主要目的是由此确定模具型面的补偿量，同时考虑型面补偿导致的制件变形，最终使得构件尺寸达到预期值［１０１－１０４］。
４成型工艺质量控制方法
先进复合材料的成型固化是在一定压力和加热条件下完成的，该过程是非常复杂且难以直接观察，涉及到了热量传递、固化反应、树脂流动、纤维密实、气泡的形成、生长及迁移等多种物理、化学及其耦合变化。不同的树脂体系和纤维增强体的物理和化学特性不同，造成成型固化过程有明显差异，这些因素与工艺参数、模具方案、产品结构等交织在一起。同时航空航天结构高昂的制造成本，要求保证高的成品率，这使得工艺质量的控制成为了复杂而又核心的技术。复合材料工艺质量控制技术包含工程技术和科学研究两个方面，前者往往在产品生产中起决定作用，而后者往往在产品研制中有重要地位。
４．１工程技术规范与数据库
航空航天工业已充分认识到复合材料结构这一特点，并在积木式设计验证程序中对材料与工艺控制进行鉴定，建立材料规范和工艺规范，保证能生产出可重现且可靠的结构。例如ＦＡＡ制定出版了预浸料和复合材料规范及工艺规范编制指南，加快了复合材料结构研制与适航审定进度，降低了成本，保证了工艺质量［１０９］。复合材料工艺规范中，对相应产品所涉及的所有制造因素都进行了明确规定，如适用范围、引用文件、材料要求、设备和设施要求、人员要求、工装要求、制造要求（铺层、预压实、真空袋封装、温度监测、固化、胶接、脱模、工装）、验收标准等。材料规范和工艺规范制定过程中，数据库是其必不可少的依据，数据库应包含原材料、中间材料、芯材、复合材料等物理、化学、工艺、力学等性能，这些数据的准确性、可靠性需要有足够的实验批次、合理的实验矩阵、先进的测试标准规范、严格的检测工作质量管理体系作为保障。从１９９４年开始在ＮＡＳＡ、ＦＡＡ和美国７０家企业、学术机构及政府机构组织开展了ＡＧＡＴＥ（ＡｄｖａｎｃｅｄＧｅｎｅｒａｌＡｖｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔｓ）项目，目的是在满足ＦＡＲ２３、ＡＣ２０－１０７Ａ和ＡＣ２１－２６要求的前提下，发展一种通用的复合材料鉴定和性能等同判断方法及规则，建立共享的数据库，大幅度降低材料鉴定的成本和时间，加快通用飞机设计、发展进程和适航审定。２００５年，ＮＡＳＡ的技术人员认识到ＡＧＡＴＥ的方法应该从通用航空领域推广到整个航空行业，于是建立了国家先进材料性能中心（ＮａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ＮＣＡＭＰ），该中心制定了大量指导性文件，尤其是包含了复合材料体系适航审定中材料规范、工艺规范以及数据库的大量内容，为复合材料在民用航空上的应用奠定了技术基础［１０９－１１０］。中航工业集团公司针对中国航空用材料体系，建立了复合材料工程数据库，覆盖了目前中国航空工业的主要材料牌号，并研究了数据库的管理和应用技术。高航等归纳总结了复合材料典型构件加工特征，在此基础上构建了复合材料典型特征加工工艺数据库，利用该数据库可以将复合材料的相关加工工艺信息进行合理分类存储，便于用户进行检索［１１１］。美国十分重视复合材料的标准化工作。自２０世纪７０、８０年代开始，由美国国防部下属的ＭＩＬ－ＨＤＢＫ－１７协调委员会编制有关复合材料性能表征、性能数据和在结构中应用指南的军用手册，被国外的复合材料与结构研制的工程技术人员称为“复合材料的圣经”，该系列手册于２０１３年宣布废止，并由美国ＳＡＥ协会制订的ＣＭＨ－１７系列复合材料手册替代，其中与ＭＩＬ－ＨＤＢＫ－１７Ｆ相比，在“生产材料和工艺过程的质量控制”章节中，有大量更新，包含了材料采购质量保证程序、零件制造检验、管理材料和工艺中的变更、改进工艺的统计工具等内容［１１０］。从目前工艺规范和数据库的应用看，建立统一的技术规范标准，构建复合材料结构设计／制造／评价共享数据库是促进复合材料工业快速发展的重要措施。
４．２复合材料制造装备
制造装备无疑是复合材料制造的基础，也是显示制造技术水平的重要标志。实现自动化制造和高精度制造是复合材料制造装备发展的主要目的。自动铺带和自动铺丝替代手工铺层的方式，可以大幅提高生产效率，降低手工操作的不确定性，保证了产品的质量稳定性。但是根据产品结构和尺寸的不同，它们各有适用的范围。由图１４可以看到，当制件的结构较为简单，如机翼蒙皮，则采用自动铺带生产效率最高，当制件的结构十分复杂时，如机身，则采用自动铺丝生产效率最高，而手工铺层可以适用于各种结构的制件，但其效率最低，且对制件有最大尺寸的限制。与手工铺层相比，自动铺带和自动铺丝对预浸料的黏性有更高要求，若黏性不满足要求，则铺叠质量无法保证。由于预浸料黏性与树脂、纤维、预浸料尺寸等多种因素有关，尚没有统一的黏性定量测试方法，因此国内外学者对预浸料黏性的表征开展了研究。此外，自动铺放工艺对预浸料的质量稳定性和尺寸均匀性控制的要求也更高。由此可见，先进制造装备能够真正在控制工艺质量方面显示出应有效果，材料技术的匹配至关重要。在大型飞机和航天器上，部分关键复合材料产品具有大尺寸、大曲率复杂外形和装配精度要求高的特点，而成型工装的设计、材料、制造技术是关键。以航空工业为例，复合材料成型模具历经了铝合金／低碳钢材料、玻璃／碳纤维复合材料、Ｉｎｖａｒ钢材料为代表的３代工装材料解决方案。Ｉｎｖａｒ钢材料的热膨胀系数极其接近于碳纤维／环氧复合材料，高温固化及冷却过程温差变化时成型工装与零件的变形小，两者之间因热膨胀差异导致的应力较小，有效地保证了成型工装与产品之间尺寸的一致性。目前，Ｉｎｖａｒ钢复合材料成型工装已经成为国外航空工业企业的首选。例如，空客公司在Ａ３２０机型的生产线上，使用Ｉｎｖａｒ钢复合材料成型工装制造长度达１４ｍ以上的机翼翼盒和方向舵，如图１５所示；霍尼韦尔公司使用Ｉｎｖａｒ钢复合材料成型工装制造直径４ｍ以上的发动机短舱。在国外航空工业中，Ｉｎ－ｖａｒ钢复合材料成型工装的设计制造和应用技术水平得到了迅速提高。国内方面正在开展Ｉｎｖａｒ钢工装的设计制造研究，但技术尚未成熟。４．３工艺数据统计分析复合材料制造缺陷是工艺质量控制的核心，而制造缺陷的形成原因复杂，且随机性强，若采用实验的方法则实验量大、费时，且只能得到工艺条件与制造缺陷之间的表象联系，得到的经验也难以直接用于新材料和新结构的设计与制造。由于复合材料结构大量用于航空航天飞行器，已经积累了大量的工艺数据，如各种结构的无损检测数据。若能够采用统计学的方法对这些数据进行分析，则有可能定量研究各种工艺因素与制造缺陷的关联，建立相关的统计模型，并梳理出缺陷形成和消除的主控因素，从而为工艺质量控制提供依据。作者团队针对航空飞行器近２００００件复合材料构件的超声Ａ扫描数据进行了树枝分类统计分析，所涉及的构件类型主要有蒙皮、梁、肋、角材、筋条、胶接结构件等，制造工艺均为热压罐工艺。统计结果见图１６和图１７，研究发现：复合材料热压罐工艺分层缺陷比例最高，缺陷类型及缺陷位置与复合材料构件形状、几何特征和工艺方法均有很大的关联性，复合材料构件复杂的构形、厚度过薄或过厚、变厚梯度突变以及曲率半径过小均将增大缺陷的出现比例［１１２－１１４］。利用小样本量的统计分析方法求得了典型构件分层面积的概率分布和相对可接受率，见图１８。结果表明，复合材料构件的分层面积均符合对数正态分布，且分层面积在１００ｍｍ２左右的分层出现概率最大，构形复杂（如工形件）和厚度过薄或过厚的复合材料构件的分层相对可接受率较低［１１５－１１６］。进一步应用线性群子统计理论分析了制造缺陷的关键影响因素，发现复合材料构件中变厚梯度、曲率半径等几何特征以及复杂的构形是制造缺陷的关键影响因素，显著增大了制造缺陷（尤其是大分层）集聚产生的能力，缺陷产生概率增大［１１７］。上述研究工作说明，基于大量的工程数据统计分析，可以从复杂、随机的工艺－缺陷数据中获得规律性、定量性结论，从而为复合材料构件成型固化质量的控制和工艺改进提供方向。５复合材料制造新技术展望随着科学技术发展，复合材料结构制造新技术必然会不断涌现。未来复合材料制造新技术的发展可以从３个方面加以关注：①已有制造技术的深化与优化；②适合新兴复合材料的制备技术研发，如连续碳纳米管增强复合材料和高含量石墨烯复合材料制备技术；③复合材料结构智能制造与智能车间，这是先进复合材料结构制造工艺具有革命性的进步与挑战。所谓复合材料智能制造是将人工智能融进复合材料制造过程的各个环节，通过模拟专家的智能活动，对制造过程的物理、化学行为进行分析、判断、推理、构思、决策，自动实时监测复合材料成型过程任意位置的状态，并通过专家系统自动调整其工艺参数，以实现复合材料成型质量最佳状态的制造。此外，建立通用性、兼容性、功能性强大的虚拟制造软件集成平台，通过构件制造全过程的模拟技术，实现完整制造工艺方案的优选。人们对智能制造予以越来越多的关注，如美国ＮＡＳＡ制定的２０１０年—２０３０年太空技术制造发展路线图中指出，为了改变飞行器设计与制造之间以点对点和经验为主的研发模式，加快新产品的研发周期，降低研发成本，强调发展集成智能制造技术，其涉及了基于准确制造过程数学模型的虚拟工艺、包含完整的设计和制造信息的数字产品定义模型、下一代机器人和自动化制造技术、计算发表论文进程与物理进程高度协调的信息物理系统以及整合制造环境所有元素中数据的模型操作系统。这种智能制造技术集成与其在车间实践，便实现了智能化车间。
作者：顾轶卓 李敏 李艳霞 王绍凯 张佐光 单位：北京航空航天大学 材料科学与工程学院 空天材料与服役教育部重点实验室
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