大型复合材料构件自动铺放制造关键基础研究-973项目申请书.pdf

申报领域综合交叉领域
申请资助类别 A(3000 万以上)
受理日期
受理编号 SQ2010CB072723



973 计划项目申请书






项目名称: 大型复合材料构件自动铺放制造关
键基础研究
申报单位: 南京航空航天大学
项目首席科学家: 肖军








申报日期:2010-03-17
中华人民共和国科学技术部制
2010 年 3 月
摘要
复合材料轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀,尤其是设计制造一体化和易于整体制
造大型构件,对减轻结构重量和提高可靠性具有不可替代的作用。大型复合材料
构件在航空航天、高速轨道交通、风力发电等领域的应用日益广泛,如大型飞机
复合材料用量越来越大(A380 用 吨、占 25%,787 用 25 吨、占 50%)。自动
铺放是大型复合材料构件制造新方法,采用专用数控装备,按模具型面逐层增量
成形,按构件设计确定的纤维方向和分布密度控制铺放路径与工艺,一体化高速
制造。自动铺放制造方法为提高复合材料构件性能和降低成本带来了前所未有的
机遇,同时对制造理论和方法提出了新的挑战:必须突破铺放装备大惯性操作机
构高速与控制精确性、满足构件性能与复杂外形的加工路径规划、适于加工窗口
的材料性质与状态调控、成形质量在线高速测控等瓶颈。因此,迫切需要研究预
浸料工艺性与调控方法、铺放装备操作规律、自动铺放构件缺陷形成规律和大型
构件性能评价等问题。本项目围绕“自动铺放工艺基础”、“自动铺放制造理论”、
“自动铺放构件质量控制与评价”三个基础科学问题,开展以下课题研究:
1)预浸料性能与铺放工艺性关联和调控;
2)基于构件特征的自动铺放工艺理论;
3)自动铺放装备设计与操作理论;
4)自动铺放复合材料构件纤维拓扑分析与路径规划方法;
5)自动铺放构件的缺陷形成规律与在线测控方法;
6)自动铺放大型复合材料构件评价方法。
本项目将:1)建立自动铺放工艺调控与优化理论基础;2)掌握自动铺放装
备操作科学规律;3)建立基于性能-结构-工艺-装备多约束的自动铺放路径规划
理论与方法;4)揭示自动铺放大型复合材料构件缺陷特征和形成规律,确立构
件质量在线测控与综合性能评价方法;5)建立自动铺放装备和大型复合材料构
件制造基础研究平台,为自动铺放新装备研制与大型复合材料构件自动铺放制造
提供新原理、新方法。
本项目研究成果将使我国大型复合材料构件制造基础研究水平跻身于世界
前列,通过理论创新提升我国制造技术的自主创新能力;推动自动铺放技术发展
及其在国家大型飞机、重型直升机、载人航天、高速轨道交通与风力发电等重大
1
工程中的应用。
2
一、立项依据
国家需求
复合材料不仅轻质高强和性能可设计、而且易于一体化制造大型整体构件,
在减重、抗疲劳、耐腐蚀、可靠性与维修性等方面大大优于传统金属材料。在航
空航天、交通运输、能源和国防等领域应用越来越广泛,在国家重大工程中的作
用越来越突出。但大型复合材料构件难以成形和制造成本居高不下是阻碍其大量
应用的两大瓶颈,亟待突破。
大型飞机、载人航天与探月工程及高档数控机床与基础制造装备同时列入
《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)》的 16 个重大科技专项。
大型飞机代表了一个国家竞争力的制高点,是建设创新型国家的标志。大型军用
运输机是组建国家战略空军的基石,决定了军队快速反应和高密度与大纵深战略
投送能力,对国家安全至关重要。商用飞机国内市场需求巨大:波音和空客两大
飞机制造商2009年发布的中国市场预测报告中都预计中国将在20年后成为继美
国之后的第二大飞机需求市场:空客预计未来 20 年中国内地需要新增 3000 多架
客机和货机、价值约 3550 亿美元;波音预计未来 20 年中国将需要 3770 架新飞
机、价值约 4000 亿美元。2006 年 3 月,温家宝总理宣布我国在“十一五”期间启
动大型飞机研制项目,国务院成立了大型飞机重大专项领导小组。2007 年 2 月
26 日召开的国务院常务会议批准大型飞机重大科技专项正式立项,分为大型运
输机和大型客机两个型号,大型运输机研制于 2007 年全面铺开;2008 年 5 月 11
日中国商用飞机有限责任公司在上海成立标志着大型客机研制正式启动,我国大
型飞机工程全面展开;2009 年 12 月 16 日,C919 大型飞机总体方案通过评审,
计划于 2014 年首飞、2016 年交付。
经济性和安全性决定大型飞