在現代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)斗機、轟炸機和無人作戰(zhàn)飛機（unmanned combat aerial vehicles，UCAV）的隱身技術是通過確?？罩袃?yōu)勢來決定戰(zhàn)爭結果的重要因素。隱身是指一種避免敵人雷達和紅外探測器探測的技術。在紅外（IR）信號檢測的情況下，飛機本身的熱量，特別是高溫發(fā)動機和后機身，發(fā)出的熱輻射量最大。

? ? 由于通過飛機發(fā)動機噴嘴設計來實現紅外信號抑制至關重要，因此采用S形噴嘴（雙蛇形噴嘴）以使發(fā)動機的高溫部分不可見。此外，采用大展弦比（縱橫比）出口形狀來降低廢氣羽流溫度的紅外特征（圖1）。多層復合材料用于滿足發(fā)動機排氣噴嘴制造的功能和結構要求。

圖 1：a) UCAV 前視圖以及進氣管（綠色）和排氣噴嘴（橙色）的 3D 圖；b) 3 種不同幾何形狀的排氣噴嘴；c) 應用后的紅外特征模擬結果?

??? 噴嘴的最內層由碳纖維增強碳化硅（C-SiC）復合材料制成，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。最外層由碳纖維增強塑料（CFRP）組成，CFRP是一種輕質材料，可在軸向推力和內部壓力下保持結構強度。最后，為了粘接和絕緣，在C-SiC和CFRP材料之間使用陶瓷材料。
? ? 采用纖維纏繞技術的非軸對稱形狀：對于簡單的軸對稱噴嘴結構（圓柱形、圓形噴嘴），可以使用比其他復合材料預制工藝更便宜的纖維纏繞工藝制造零件。另一方面，根據長絲纏繞工藝將帶有急彎的非圓柱形形狀制成實際飛機產品的情況并不多。因此，為了用傳統的纖維纏繞工藝均勻包裹非軸對稱形狀的外部，必須提前通過制造（CAD/CAM）設計工具進行精確的纖維放置并確定纏繞軌跡。
? ? 通過纖維纏繞工藝制造飛機零件：在本案例研究中，僅使用碳纖維進行干式纏繞過程，以了解發(fā)動機排氣噴嘴形狀的成形性，并且需要最佳纏繞模式和角度設置，以防止纖維在雙蛇形管附近滑動提前成型。對于非軸對稱形狀，可以通過用纖維纏繞模擬工具來成功執(zhí)行纖維纏繞工藝的工藝優(yōu)化（圖2）。

圖 2：使用 3D 圖形查看器的纏繞模式模擬結果

非軸對稱繞組仿真的關鍵策略
? ? Cadfil?有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀設計策略。由于該部件主要是一個復雜的管道（可變截面的多曲管），因此使用了一種基于相對于彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對于軸為直線的正常圓管的軸纏繞螺旋線。下面簡要介紹了在Cadfil中創(chuàng)建纏繞路徑的過程。
? ? 首先，在CAD中，零件必須按照將要呈現給繞線機的方向進行定向，因此零件的X軸是心軸旋轉軸。第二步是創(chuàng)建要研究的脊椎曲線。圖2a顯示了零件幾何形狀和幾條脊柱曲線。紅色曲線是初始設計，藍色曲線是一個小的修改，允許在大直徑端稍大的纏繞范圍。心軸表面幾何形狀通過FEA或3D打印格式從CAD導出為三角形網格。Cadfil支持多種標準數據格式。曲線幾何圖形作為標準步長數據導出，是由直線、圓弧或復雜樣條曲線組成的完全通用的復合曲線。
? ? 下一步是用戶對話框，為纏繞路徑創(chuàng)建一組數據參數。參數包括曲面幾何文件、步長文件和選取的曲線、要使用的脊柱曲線的范圍（修剪）、起始的初始方向以及重要的是纏繞的螺旋間距。
? ? 螺距實際上是圍繞零件旋轉的路徑每次沿脊柱移動的距離。創(chuàng)建路徑后，Cadfil軟件計算路徑的摩擦（防滑）要求，以便用戶可以檢查路徑是否在可接受的范圍內?？梢詣?chuàng)建并組合一組路徑以形成繞組層，并且可以組合多組繞組層以形成完整的元件繞組。Cadfil擁有全套3D分析工具，可用于查看卷繞機的幾何形狀、厚度和3D運動。
? ? 創(chuàng)建的路徑可以導出到CAD、FEM模型或用于生成各種CNC或機器人絡筒機的控制數據。本研究的最終目標是通過纏繞工藝使價格昂貴的碳化硅纖維在最外層制造排氣噴嘴暴露在高溫下。因此，在設計纏繞圖案時，可以通過將帶間距離（間距）設置為多于一個纖維帶寬來使用最少數量的 SiC 纖維（圖2a）。
? ? 為了填補頻帶之間的間隙，將第二個電路的起始位置設置為距離第一個電路起始位置10mm的點（圖2b）。從圖2 c中可以看出，當電路總共重復6次時，所有間隙都被填滿。如圖2d所示，預計纖維將在彎曲部分的開始處聚集，但在其他區(qū)域將形成均勻的厚度分布。
? ? 可以通過3D圖形查看器（圖2 e）預測纏繞過程中機器和芯軸之間的碰撞，在這種情況下，機器的移動不會受到芯軸的干擾。使用相對便宜的碳纖維束優(yōu)化纏繞工藝條件。
? ? 在實際過程中，預計纖維將沿曲面精細滑動。然而，經驗證發(fā)現，纖維帶的位置和角度通過調整纖維張力，可根據纏繞圖案設計工具準確纏繞（圖3）。

圖 3：通過試驗生成的繞組圖案圖像
? ? 綜上研究證實了非軸對稱飛機復合材料的可行性，與其他復合材料制造工藝相比，采用低成本纏繞工藝可以降低生產成本，同時滿足初始設計目標的零件。（來源：碳纖維技術及裝備研究室）

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