摘 要

纤维增强复合材料由于其轻质高强的特点，从诞生之初起就引起了人们的广泛关注，但由于成型工艺的约束，其应用受到了很大的限制。纤维铺放技术的出现，打破了复合材料难以制造复杂曲面构件的局面，极大地扩展了复合材料的应用范围，成为了国内外研究的热点话题。而纤维铺放路径控制可以在满足构件使用要求的前提下，通过对铺设方向和层数进行优化，来最大程度的发挥纤维纵向模量高的优点，节约材料，创造经济效益。

本论文从纤维铺放路径控制的角度出发，目的是掌握复合材料构件铺层设计的方法，同时了解纤维铺放设备的工作原理，分析纤维铺放的过程。重点分析不同铺设方向对构件力学性能的影响，选取层压板为例对其进行了刚度和强度分析，并与传统金属材料进行破坏载荷对比。针对一般层压构件的铺放，对复杂铺放头结构进行了简化布局和分析，运用三维软件对龙门式铺放设备进行三维建模。对PMAC控制系统进行初步学习，尝试PMAC编程对铺放设备进行运动控制。

关键词：纤维铺放；铺层优化；PMAC

Abstract

Fiber reinforced composites have attracted wide attention because of its characteristics of lightweight and high strength. However, due to the constraints of the forming process, the application of fiber reinforced composites has been limited. The emergence of automated fiber placement technology breaks the situation that the composite material is difficult to manufacture complex curved surface, greatly expands the application range of the composite material and it has become a hot topic in the domestic and international research. And fiber placement path control not only can meet the component of using requirements, but also through optimization of laying direction and the number of layers, to play the advantages of fiber longitudinal high modulus extremely, at the same time saving material, creating economic benefits.

The paper, from the fiber laying on path control point，whose purpose is to master the layer design method of composite component, understand the working principle of fiber placement equipment, analyze the process of fiber placement. Focus on the analysis of different laying direction how to influence the component on the mechanical properties. Laminates of fiber was chosen as an example to analyze the strength and stiffness, and in contrast with the traditional metal materials on destroying load. For generally laminated component placement, complex fiber placement head layout was simplified and had a modular analysis. Using 3D software establish a placement equipment gantry layout model simply. At the same time I study PMAC control system preliminary and have a try on PMAC programming to control the motion of the placement equipment.

Key words: fiber placement；layer optimization； PMAC

目录

摘要 II

Abstract III

第1章 绪论 - 1 -

1.1 复合材料简介 - 1 -

1.2 纤维铺放技术国外与国内研究现状 - 2 -

1.3 研究背景及意义 - 3 -

第2章 复合材料工字梁腹板的铺层设计 - 5 -

2.1 复合材料力学基本方程 - 5 -

2.1.1 复合材料主方向坐标系与参考坐标系 - 5 -

2.1.2 复合材料的弹性特性 - 6 -

2.2 工字梁腹板的铺层设计 - 8 -

2.2.1 金属工字梁 - 8 -

2.2.2 工字梁腹板的铺层设计及刚度比较 - 10 -

2.2.3 纤维铺层腹板的破坏载荷分析 - 14 -

2.3 本章小结 - 17 -

第3章 铺放头机构设计 - 19 -

3.1 铺放头的模块化布局及分析 - 19 -

3.1.1 铺放头内部构造及工作原理 - 19 -

3.1.2 铺放头的模块化布局及设计 - 20 -

3.2 铺放设备三维建模 - 23 -

3.3 本章小结 - 24 -

第4章 PMAC控制系统 - 25 -

4.1 PMAC控制卡简介 - 25 -

4.2 PMAC变量定义及程序编写 - 26 -

4.2.1 坐标系的建立 - 26 -

4.2.2 变量的定义 - 27 -

4.2.3 程序编写 - 29 -

4.3 本章小结 - 31 -

总结 - 32 -

参考文献 - 33 -

致谢 - 34 -

第1章 绪论

1.1 复合材料简介

复合材料（CM）一般指由两种及以上的不同特性的材料，通过运用物理或化学手段，实现分子层面的排列重组，使其组合成为一种新的复合型材料，从而具有更好的宏观性能的表现，其原材料又根据对组合材料的不同作用效果而分别被称作增强材料和基体材料^［1］。通常情况下复合材料的结合过程并不会改变原材料的化学成分，而只是分子在微观上的重组。按应用性质进行分类，复合材料包括功能复材和结构复材两大类，目前应用最广泛的是结构复合材料，但随着科学技术的发展，二者的区别也越来越不明显，兼具结构和功能优势的复合材料正被大量研制出来。

人类在很久以前就开始了对复合材料的发明创造。早在古代，人类的先民们就开始在黏土中加入稻草，使制成的土坯砖更加坚固；铁匠师傅也会在炼铁的时候加入辅料，从而使刀剑更加锋利；现代建筑业中，大量使用的钢筋混凝土也算是一种复合材料。到20世纪40年代，为适应航空工业的发展而出现的玻璃纤维增强树脂（俗称玻璃钢），是第一种现代意义上的复合材料，此后出现的硼纤维、碳纤维等高强、高模量的增强纤维，将人类对复合材料的应用带入了一个新纪元^［2］。