【摘要】

韓國C2ES【1】和KCarbon【2】公司使用Cadfil軟件【3】設計噴氣式發動機的雙S彎噴管，其合作成果已在JEC期刊【4】上發表。

在設計雙S彎噴管時，必須提前通過工藝設計仿真工具（CAD/CAM）創建準確的纖維放置和纏繞軌跡。然而，對于非軸對稱的纏繞仿真，是相當困難的。

Cadfil有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀的設計策略。因為雙S彎噴管是一個復雜的管道（可變截面的多彎曲管），所以使用了基于相對彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對軸線為直線的普通圓管的纏繞螺旋線。

關鍵詞：非軸對稱繞組仿真、纖維纏繞工藝仿真

基于隱形飛機噴氣式發動機雙S彎噴管的纖維纏繞工藝

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在現代戰爭中，戰斗機、轟炸機和無人作戰飛行器 (UCAV) 的隱身技術是通過確保空中優勢來決定戰爭勝負的重要因素。隱身是指一種避免被敵方雷達和紅外探測器探測到的技術。在紅外（IR）信號檢測的情況下，飛機本身的熱量，尤其是高溫的發動機和后機身發出的熱量輻射量最大。

由于必須設計飛機發動機噴嘴以實現紅外信號抑制，因此應用了S形噴嘴（雙S彎噴管），以使發動機的高溫部分不可見。此外，采用大縱橫比的出口形狀來降低廢氣羽流溫度的紅外特征（圖 1）。多層復合材料需滿足發動機排氣噴嘴的功能和結構要求。

噴嘴的最內層由碳纖維增強碳化硅 (C-SiC) 復合材料制成，具有出色的熱穩定性和耐腐蝕性。最外層由碳纖維增強塑料 (CFRP) 組成，這是一種輕質材料，可保持結構強度以抵抗軸向推力和內部壓力。最后，為了粘合和絕緣，在C-SiC和CFRP材料之間使用了陶瓷材料。

采用纖維纏繞技術的非軸對稱形狀

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對于簡單的軸對稱噴嘴結構（圓柱形/圓形噴嘴），可以使用纖維纏繞工藝，這比其他復合材料預成型工藝更便宜。另一方面，對于具有急彎的非圓柱形的飛機組件，使用纖維纏繞工藝是極具挑戰的。因此，為了用傳統的纖維纏繞工藝均勻地包裹非軸對稱形狀的外部，必須提前通過CAD/CAM工藝設計仿真工具創建準確的纖維放置和纏繞軌跡。

通過纖維纏繞工藝制造飛機零件

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在本案例研究中，為了了解發動機排氣噴嘴形狀的可成型性，僅使用碳纖維進行干式纏繞過程，并且需要最佳纏繞模式和角度設置以防止纖維在附近滑動。通過商業纖維纏繞模擬工具來執行非軸對稱形狀的成功纖維纏繞工藝的優化工藝條件。

非軸對稱繞組仿真的關鍵策略

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Cadfil有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀的設計策略。因為這個組件主要是一個復雜的管道（可變截面的多彎曲管），所以使用了一種基于使用相對于彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對于軸線為直線的普通圓管的軸線纏繞螺旋線。下面簡要總結了在Cadfil中創建蜿蜒路徑的過程。

首先，在CAD中，零件必須按照將要呈現給纏繞機的方向進行定向，以便零件的X軸是心軸旋轉軸。第二步是創建纏繞曲線。圖2顯示了零件幾何形狀和幾條纏繞曲線。紅色曲線是最初的設計，藍色曲線是一個小的修改，允許在大直徑端稍微更大的纏繞范圍。心軸表面幾何圖形通過FEA或3D打印格式從CAD導出為三角網格。Cadfil支持多種標準數據格式。曲線幾何圖形作為標準STEP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。

下一步是一個用戶對話框，用于為蜿蜒的路徑創建一組數據參數。參數包括曲面幾何文件、步進文件和選取的曲線、要使用的纏繞曲線的范圍（修剪）、起始的初始方向以及纏繞的螺距。

間距實際上是圍繞零件的路徑每旋轉一次沿脊椎行進的距離。創建路徑后，Cadfil軟件計算路徑的摩擦（防滑）要求，以便用戶檢查它是否在可接受的范圍內。可以創建一組路徑并將其組合成一個繞組層，并且可以組合多組繞組層以形成一個完整的組件繞組。Cadfil 擁有一整套3D分析工具，可用于查看纏繞機的幾何形狀、厚度和3D運動。創建的路徑可以導出到CAD、FEM模型或用于為各種CNC或機器人纏繞機生成控制數據。

這項研究的最終目標是使用高價碳化硅纖維，通過纏繞工藝制造暴露在高溫下的最外層排氣噴嘴。

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因此，在設計纏繞模式時，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碳化硅纖維（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從第一個電路的起始位置偏移10毫米的點（圖2b）。

?從圖2c可以看出，當路徑總共重復6次時，所有間隙都被填充了。

如圖2d 所示，預計纖維會在彎曲部分的開始處聚集，但在其他區域會形成均勻的厚度分布。

通過3D圖形查看器（圖2e）可以預測纏繞過程中機器與芯軸之間的碰撞，在這種情況下，機器的運動不受芯軸的干擾。

使用一種相對便宜的碳纖維束來優化纏繞工藝條件。在實際過程中，預計纖維滑動將沿著彎曲的表面發生。然而，經證實，使用Cadfil纖維纏繞仿真軟件可以準確模擬纏繞纖維帶的位置和角度（圖3所示）。

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結論

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該研究證實了非軸對稱飛機復合材料部件的可行性，與其他復合材料制造工藝相比，該復合材料部件可以通過應用低成本的纏繞工藝來降低生產成本，同時滿足初始設計目標。

【注釋】

【1】氣候和能源解決方案中心（C2ES）制定實用和創新的解決方案來應對氣候變化，并與領先企業合作，以加快氣候進步。

【2】韓國碳產業振興院 (KCARBON)是一家韓國的創新機構，旨在通過商業和研究支持推動韓國碳產業生態系統的發展。

【3】Cadfil是一款專業的纖維纏繞工藝仿真軟件，中國區總代理為“上海庭田信息科技有限公司”

【4】JEC（Journal of Energy Chemistry）期刊是SCI化學類分區1區期刊，中文名稱《能源化學》，ISSN號為2095-4956。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的[cadfil] 基于隐形飞机喷气式发动机双S弯喷管的纤维缠绕工艺的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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