在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)和無人作戰(zhàn)飛機(jī)（unmanned combat aerial vehicles，UCAV）的隱身技術(shù)是通過確?？罩袃?yōu)勢(shì)來決定戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)果的重要因素。隱身是指一種避免敵人雷達(dá)和紅外探測(cè)器探測(cè)的技術(shù)。在紅外（IR）信號(hào)檢測(cè)的情況下，飛機(jī)本身的熱量，特別是高溫發(fā)動(dòng)機(jī)和后機(jī)身，發(fā)出的熱輻射量最大。

由于通過飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)抑制至關(guān)重要，因此采用S形噴嘴（雙蛇形噴嘴）以使發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)合材料用于滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴嘴制造的功能和結(jié)構(gòu)要求。

圖 1：a) UCAV 前視圖以及進(jìn)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(yīng)用后的紅外特征模擬結(jié)果?

噴嘴的最內(nèi)層由碳纖維增強(qiáng)碳化硅（C-SiC）復(fù)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(qiáng)塑料（CFRP）組成，CFRP是一種輕質(zhì)材料，可在軸向推力和內(nèi)部壓力下保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)的非軸對(duì)稱形狀：對(duì)于簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱噴嘴結(jié)構(gòu)（圓柱形、圓形噴嘴），可以使用比其他復(fù)合材料預(yù)制工藝更便宜的纖維纏繞工藝制造零件。另一方面，根據(jù)長(zhǎng)絲纏繞工藝將帶有急彎的非圓柱形形狀制成實(shí)際飛機(jī)產(chǎn)品的情況并不多。因此，為了用傳統(tǒng)的纖維纏繞工藝均勻包裹非軸對(duì)稱形狀的外部，必須提前通過制造（CAD/CAM）設(shè)計(jì)工具進(jìn)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(jī)零件：在本案例研究中，僅使用碳纖維進(jìn)行干式纏繞過程，以了解發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴嘴形狀的成形性，并且需要最佳纏繞模式和角度設(shè)置，以防止纖維在雙蛇形管附近滑動(dòng)提前成型。對(duì)于非軸對(duì)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(jié)果

非軸對(duì)稱繞組仿真的關(guān)鍵策略

Cadfil?有幾種不同的纏繞非標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀設(shè)計(jì)策略。由于該部件主要是一個(gè)復(fù)雜的管道（可變截面的多曲管），因此使用了一種基于相對(duì)于彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對(duì)于軸為直線的正常圓管的軸纏繞螺旋線。下面簡(jiǎn)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(xiàn)給繞線機(jī)的方向進(jìn)行定向，因此零件的X軸是心軸旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，藍(lán)色曲線是一個(gè)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(dǎo)出為三角形網(wǎng)格。Cadfil支持多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。曲線幾何圖形作為標(biāo)準(zhǔn)步長(zhǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，是由直線、圓弧或復(fù)雜樣條曲線組成的完全通用的復(fù)合曲線。

下一步是用戶對(duì)話框，為纏繞路徑創(chuàng)建一組數(shù)據(jù)參數(shù)。參數(shù)包括曲面幾何文件、步長(zhǎng)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(shí)際上是圍繞零件旋轉(zhuǎn)的路徑每次沿脊柱移動(dòng)的距離。創(chuàng)建路徑后，Cadfil軟件計(jì)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(nèi)?？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(jī)的幾何形狀、厚度和3D運(yùn)動(dòng)。

創(chuàng)建的路徑可以導(dǎo)出到CAD、FEM模型或用于生成各種CNC或機(jī)器人絡(luò)筒機(jī)的控制數(shù)據(jù)。本研究的最終目標(biāo)是通過纏繞工藝使價(jià)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(shè)計(jì)纏繞圖案時(shí)，可以通過將帶間距離（間距）設(shè)置為多于一個(gè)纖維帶寬來使用最少數(shù)量的 SiC 纖維（圖2a）。

為了填補(bǔ)頻帶之間的間隙，將第二個(gè)電路的起始位置設(shè)置為距離第一個(gè)電路起始位置10mm的點(diǎn)（圖2b）。從圖2 c中可以看出，當(dāng)電路總共重復(fù)6次時(shí)，所有間隙都被填滿。如圖2d所示，預(yù)計(jì)纖維將在彎曲部分的開始處聚集，但在其他區(qū)域?qū)⑿纬删鶆虻暮穸确植肌?/span>

可以通過3D圖形查看器（圖2 e）預(yù)測(cè)纏繞過程中機(jī)器和芯軸之間的碰撞，在這種情況下，機(jī)器的移動(dòng)不會(huì)受到芯軸的干擾。使用相對(duì)便宜的碳纖維束優(yōu)化纏繞工藝條件。

在實(shí)際過程中，預(yù)計(jì)纖維將沿曲面精細(xì)滑動(dòng)。然而，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，纖維帶的位置和角度通過調(diào)整纖維張力，可根據(jù)纏繞圖案設(shè)計(jì)工具準(zhǔn)確纏繞（圖3）。

圖 3：通過試驗(yàn)生成的繞組圖案圖像

綜上研究證實(shí)了非軸對(duì)稱飛機(jī)復(fù)合材料的可行性，與其他復(fù)合材料制造工藝相比，采用低成本纏繞工藝可以降低生產(chǎn)成本，同時(shí)滿足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)的零件。文章來源：JEC復(fù)合材料雜志

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