任慧琳，熊 異

（南方科技大學(xué)，深圳 518055）

航天運(yùn)輸系統(tǒng)、深空探測(cè)器和戰(zhàn)略武器等高端裝備領(lǐng)域的發(fā)展服務(wù)于國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，是國(guó)家綜合科技水平和工業(yè)制造能力的重要標(biāo)志。大運(yùn)力、長(zhǎng)壽命、遠(yuǎn)射程等裝備需求促進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件向著輕量化、高性能方向發(fā)展[1]。復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)作為輕質(zhì)、高強(qiáng)設(shè)計(jì)的典型代表，被廣泛用于航空航天、艦船郵輪、特種工程等重要領(lǐng)域。近年來(lái)，復(fù)合材料增材制造工藝的迅猛發(fā)展使得具有復(fù)雜設(shè)計(jì)的復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)制造成為可能。如何充分挖掘設(shè)計(jì)空間以提高結(jié)構(gòu)件性能并充分考慮制造工藝等約束，對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高挑戰(zhàn)。

在上述背景下，本文圍繞薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合材料增材制造工藝對(duì)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行分析，積極探索結(jié)構(gòu)–工藝–性能一體化設(shè)計(jì)方法，以推動(dòng)增材制造技術(shù)在復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)下一代高性能復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造。

1 薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

為滿足高端裝備領(lǐng)域高性能、輕量化需求，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)常采用薄壁加筋結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)蒙皮/壁板、火箭壓力儲(chǔ)罐、飛行器密封艙等。傳統(tǒng)的層合板構(gòu)件逐漸向薄壁加筋、多級(jí)加筋[2–3]、結(jié)構(gòu)–工藝協(xié)同優(yōu)化等方向發(fā)展，衍生出了一系列加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1.1 參數(shù)化方法

參數(shù)化方法是一種快速設(shè)計(jì)方法，可以通過(guò)對(duì)參考路徑進(jìn)行鏡像和偏置得到全局加強(qiáng)筋布置。根據(jù)參考路徑的角度變化，可以將參數(shù)化方法分為固定角度、線性變角度、非線性變角度等類型。固定角度加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)筋角度不隨空間位置變化，即常見(jiàn)的直筋布局，如圖 1（a）所示。隨著纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)的發(fā)展，制造具有變化曲率的加強(qiáng)筋成為可能，其設(shè)計(jì)方法也逐漸發(fā)展。在參數(shù)化方法中，通過(guò)定義和調(diào)整少數(shù)設(shè)計(jì)變量，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域內(nèi)曲筋設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)域內(nèi)加強(qiáng)筋角度變化特性，可分為線性變角度及非線性變角度加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。圖 1 （b）是線性變角度加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)示意圖，筋條角度φ（x）隨橫坐標(biāo)x線性變化，具體數(shù)值由式 （1）中的角度T1、T2及偏置距離β決定[4]，其中L為平板沿x軸方向長(zhǎng)度。非線性變角度曲筋設(shè)計(jì)是在線性變角度設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入M×N個(gè)控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更靈活的曲筋布置，如圖 1 （c）所示[5]（其中，a和b分別表示設(shè)計(jì)平板的長(zhǎng)和寬，Tmn表示 （xm，yn）位置處控制點(diǎn)的加強(qiáng)筋角度）?；诜蔷€性變角度曲筋設(shè)計(jì)方法，曲筋角度分布滿足式（2）定義。

式中，φ（x，y）表示任意位置 （x，y）處的曲筋角度； （xi，yi）和 （xm，yn）分別表示參考點(diǎn)的x–y坐標(biāo)。對(duì)于可展曲面，如圓柱、圓錐結(jié)構(gòu)，常利用測(cè)地線路徑作為加強(qiáng)筋參考路徑，如圖1（d）所示[6]（其中，φ（x）為筋條角度；x、y、z分別表示圓錐上任一點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)；r為不同高度處的圓錐半徑；α和θ分別表示錐角和周向曲面坐標(biāo)）。這是因?yàn)樵诘芽柨臻g中，測(cè)地線路徑是連接三維曲面上兩點(diǎn)之間的最短路徑[7]，也稱作自然路徑。由于測(cè)地線上的曲率變化最小，在承受外界載荷時(shí)，承力路徑上曲率突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中現(xiàn)象減少，加強(qiáng)筋路徑的拉伸和壓縮應(yīng)力也最?。煌瑫r(shí)，測(cè)地路徑在曲面上的連續(xù)性和小曲率特性，減少了曲筋制造缺陷，從而達(dá)到最優(yōu)的加強(qiáng)效果。測(cè)地線的求解取決于曲面的幾何形狀，常采用解析方法、數(shù)值方法及優(yōu)化方法進(jìn)行求解，MATLAB 等商業(yè)軟件中也提供了相應(yīng)工具箱。

圖1 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的參數(shù)化表示方法Fig.1 Parametric representation of stiffeners

上述參數(shù)化方法通過(guò)凝聚設(shè)計(jì)變量，能夠快速實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)域內(nèi)的曲筋復(fù)雜分布。這種基于簡(jiǎn)化的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方法常與優(yōu)化算法相結(jié)合，以高效尋找滿足屈曲、抗彎或動(dòng)態(tài)載荷等不同工況下的最優(yōu)設(shè)計(jì)變量。這種基于簡(jiǎn)化的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方法具有廣泛的應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)提供了新思路。

1.2 形狀優(yōu)化方法

加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)中的形狀優(yōu)化方法是指在固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下尋找滿足約束條件的加強(qiáng)筋邊界形狀[8]。作為形狀優(yōu)化前提條件，需要建立加強(qiáng)筋形狀數(shù)學(xué)模型，包括位置分布和幾何曲率[9–10]，如圖2 所示[11]。對(duì)于這種加筋薄殼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)域Ω包含薄殼和加強(qiáng)筋的側(cè)面S、橫截面A及其變化dA、dAS，設(shè)計(jì)變量為加強(qiáng)筋處的速度矢量V。這種復(fù)雜幾何特征通常采用離散或者微分的方法進(jìn)行求解，需要多次迭代，導(dǎo)致計(jì)算量較大。Liu 等[11]提出一種無(wú)參數(shù)形狀優(yōu)化方法，通過(guò)將固定體積特征值最大化問(wèn)題及固定特征值體積最小化問(wèn)題在連續(xù)空間內(nèi)進(jìn)行表征，實(shí)現(xiàn)無(wú)參數(shù)化和非離散化狀態(tài)下的形狀優(yōu)化。

圖2 薄殼曲面與加強(qiáng)筋示意圖[11]Fig.2 Schematic diagram of flat plate and its stiffeners[11]

隨著設(shè)計(jì)能力提高，幾何形狀復(fù)雜的薄壁加筋結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)格細(xì)化、數(shù)值精度和計(jì)算成本提出了嚴(yán)苛的要求。Hughes 等[12]首先引入了基于非均勻有理B 樣條 （Non-uniform rational B-splines，NURBS）基函數(shù)的等幾何分析 （Isogeometric analysis，IGA）方法，有效解決有限元網(wǎng)格計(jì)算中成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、幾何誤差大等問(wèn)題。同時(shí)，IGA 方法能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （CAD）和計(jì)算機(jī)輔助工程 （CAE）步驟之間的無(wú)縫銜接，有利于設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化。Hao 等[13]比較了IGA 方法和傳統(tǒng)有限元仿真方法，如圖3 所示，將IGA 方法應(yīng)用到加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將描述加強(qiáng)筋幾何形狀的形狀函數(shù)作為基函數(shù)，并基于NURBS 投影和插值算法，實(shí)現(xiàn)了殼體與筋之間的自適應(yīng)強(qiáng)耦合。

圖3 復(fù)雜薄壁加筋結(jié)構(gòu)的有限元分析與IGA 方法比較[13]Fig.3 Comparison of finite element analysis and IGA for complex thin-walled stiffened structures[13]

1.3 拓?fù)鋬?yōu)化方法

拓?fù)鋬?yōu)化[14–15]作為一種先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，能夠根據(jù)給定負(fù)載、約束和性能指標(biāo)，在設(shè)計(jì)域內(nèi)獲得最佳材料分布。將拓?fù)鋬?yōu)化這種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法與增材制造等工藝相結(jié)合，能夠充分挖掘結(jié)構(gòu)–工藝協(xié)同設(shè)計(jì)的潛力。值得注意的是，基于各向異性材料/纖維路徑分布的拓?fù)鋬?yōu)化算法近年來(lái)獲得較大發(fā)展[16–19]。

基于拓?fù)鋬?yōu)化的薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)域內(nèi)均質(zhì)材料的分布得到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的加筋拓?fù)錁?gòu)型。在拓?fù)鋬?yōu)化中，微觀尺度上計(jì)算每個(gè)單元的剛度系數(shù)，并在宏觀尺度上針對(duì)特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，獲得具有抗屈曲、抗彎曲或良好動(dòng)態(tài)特性的薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4 所示[20]（其中，t為平板厚度；h為加強(qiáng)筋高度；Ke（h）為加強(qiáng)筋的單元?jiǎng)偠染仃?；Ke（t）為平板的單元?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

圖4 薄壁加筋結(jié)構(gòu)等效剛度模型示意圖[20]Fig.4 Schematic illustration of the equivalent stiffness model of thin-walled stiffened structures[20]

圖5 基于SSM 方法的懸臂梁?jiǎn)栴}求解[26]Fig.5 Iteration process of the cantilever beam problem based on SSM[26]

近年來(lái)，基于連續(xù)介質(zhì)拓?fù)鋬?yōu)化方法的薄壁加筋、多級(jí)加筋結(jié)構(gòu)[21]優(yōu)化設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)之一。常見(jiàn)的方法包括經(jīng)典的均質(zhì)化方法[22]、變密度法[23]、水平集方法[24]和特征映射方法[25]等。此外，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域和具體工程問(wèn)題，還有一些創(chuàng)新性的拓?fù)鋬?yōu)化方法被提出和應(yīng)用。Wei等[26]提出了用于桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的剛度擴(kuò)散法 （Stiffness spreading method，SSM），桁架結(jié)構(gòu)被嵌入到一個(gè)弱約束連續(xù)體網(wǎng)格中，桿單元可以在設(shè)計(jì)域中自由移動(dòng)，且具有解析敏度；該方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)了桁架結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化，圖 5 展示了不同迭代次數(shù)（n）時(shí)的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。與傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法不同，該方法不需要關(guān)于單元連接和節(jié)點(diǎn)位置的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)于加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣具有參考意義。

1.4 新型設(shè)計(jì)方法

然而，在加強(qiáng)筋布局設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： （1）初始曲筋信息未知； （2）加強(qiáng)筋交叉點(diǎn)的網(wǎng)格形狀多變，形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化都無(wú)法直接解決這些問(wèn)題[27]。為了處理這些問(wèn)題，Wang 等[27]提出了基于流線函數(shù)的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方法，如圖6 所示，首先，基于流線函數(shù)給出了流線型加強(qiáng)筋的定義，并通過(guò)全局/局部均質(zhì)化方法和敏度分析[28]，實(shí)現(xiàn)了多尺度建模的流線型曲筋設(shè)計(jì)；使用流線函數(shù)描述加強(qiáng)筋路徑與水平集方法類似：連續(xù)分布的流線函數(shù)值形成每個(gè)加強(qiáng)筋簇的三維水平集曲面，該曲面在二維平面的投影就是曲線加強(qiáng)筋路徑。圖 6（a）和 （b）展示了固定節(jié)點(diǎn)上的不同流線函數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)筋路徑如圖 6（c）和（d）所示。通過(guò)這種方法，二維設(shè)計(jì)域中離散的加強(qiáng)筋路徑分布被轉(zhuǎn)化為三維水平集曲面上的連續(xù)流函數(shù)值分布。該方法無(wú)明顯的尺度效應(yīng)，適用于分布較密的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。

圖6 基于流線函數(shù)的曲筋生成方法[27]Fig.6 Illustrations of the stiffener streamline function[27]

對(duì)于優(yōu)化問(wèn)題中存在的大量迭代步，有學(xué)者利用這一過(guò)程曲筋形式–結(jié)構(gòu)響應(yīng)的大量數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Wang 等[29]通過(guò)提取影響結(jié)構(gòu)性能的主成分，實(shí)現(xiàn)了基于主成分分析（Principal component analysis，PCA）的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。張坤鵬等[30]將加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)特征參數(shù)轉(zhuǎn)化為RGB 圖像，并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建基于圖像識(shí)別的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

同時(shí)，自然界中存在著大量天然加筋結(jié)構(gòu)，如植物葉脈、鳥(niǎo)類翅脈等。這些曲筋的結(jié)構(gòu)形式和生長(zhǎng)方法為工程結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)靈感[31–32]。模擬樹(shù)生長(zhǎng)和分支規(guī)律，Dong 等[33]提出了一種生成式曲筋優(yōu)化方法，根據(jù)加強(qiáng)筋分支延伸的效果自適應(yīng)選擇分支的最佳生長(zhǎng)方向，并通過(guò)控制體積增長(zhǎng)速度實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)體積控制，如圖7 所示。

圖7 模擬樹(shù)生長(zhǎng)的自適應(yīng)生長(zhǎng)和分支方法[33]Fig.7 Adaptive growing and branching methods for simulating tree growth[33]

圖8 纖維纏繞工藝示意圖[36]Fig.8 Schematic diagram of FW technology[36]

圖9 纖維纏繞成型加強(qiáng)筋制造工藝示意圖Fig.9 Schematic diagram of stiffener manufacturing using FW technology

2 復(fù)合材料增材制造工藝

薄壁加筋結(jié)構(gòu)通常由薄殼本體和加強(qiáng)筋構(gòu)成，為了制造這種結(jié)構(gòu)，需要高精度、高靈活性的制造技術(shù)，以確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)件制造方法有手糊成型法、樹(shù)脂傳遞模塑等。相比于這些傳統(tǒng)制造工藝，基于增材制造的新型復(fù)材制造方法，如纖維纏繞技術(shù)、自動(dòng)鋪放技術(shù)、3D 打印技術(shù)等，不需要模具和繁多工序，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、大型、多級(jí)構(gòu)件的一體化成型。利用增材制造技術(shù)制造薄壁加筋結(jié)構(gòu)，可以快速、精確、靈活地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲筋薄壁結(jié)構(gòu)的制造成型，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。同時(shí)，利用增材制造技術(shù)還可以減少材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。

2.1 纖維纏繞技術(shù)

纖維纏繞技術(shù) （Filament winding，F(xiàn)W）是最早開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)[34–35]，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，便于大批量生產(chǎn)，尤其適用于圓柱、圓錐等回轉(zhuǎn)類構(gòu)件制造，其工藝示意圖如圖 8 所示。纖維纏繞工藝可以實(shí)現(xiàn)將預(yù)先張緊的纖維以預(yù)定線型連續(xù)纏繞在芯模上，隨后在室溫或加熱條件下固化，從而形成具有一定形狀的纖維制品[36]。纖維纏繞技術(shù)可以控制纖維的方向、角度及厚度，進(jìn)而根據(jù)結(jié)構(gòu)件承載需求設(shè)計(jì)不同的纖維纏繞方案，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。這種工藝技術(shù)在高壓儲(chǔ)罐、壓力管道、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

利用纖維纏繞技術(shù)制造加強(qiáng)筋主要由芯模結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)種類可以將模具分為凹槽和銷釘兩類。凹槽模具用于將纖維定位在凹槽內(nèi)布，如圖 9（a）所示[37]。常用于制作出具有規(guī)則幾何形狀的加強(qiáng)筋，如環(huán)形、三角形、Kagome 形等。與凹槽模具相比，銷釘模具更為靈活，可以制作出更為復(fù)雜的加強(qiáng)筋形狀。銷釘模具通常由多個(gè)銷釘組成，這些銷釘可以在不同的位置和角度上固定纖維，從而實(shí)現(xiàn)不同形狀的加強(qiáng)筋制作，如圖 9（b）所示[38]。

纖維纏繞技術(shù)作為一種重要的復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)，在制件結(jié)構(gòu)–工藝–性能一體化設(shè)計(jì)制造過(guò)程中存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)件的形狀限制方面。目前纖維纏繞技術(shù)的制品主要為具有凸曲率屬性的回轉(zhuǎn)體，例如圓柱體、球體等，對(duì)于非回轉(zhuǎn)體或凹曲線結(jié)構(gòu)件的制造能力較差。此外，纖維纏繞技術(shù)本身還面臨著一些技術(shù)上的不足和挑戰(zhàn)，比如，纖維纏繞過(guò)程中涉及多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制[39]、精密張力控制、過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化、缺陷在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

2.2 纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)

纖維自動(dòng)鋪放技術(shù) （Automated fiber placement，AFP）是一種高效率、高質(zhì)量、高技術(shù)成熟度的增材制造工藝，相比于纖維纏繞技術(shù)，其制造能力更加靈活和多樣化，可以制造更為復(fù)雜的形狀和曲面結(jié)構(gòu)，且不受制件軸對(duì)稱限制。因此，纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的大型飛機(jī)、運(yùn)載火箭等薄壁加筋結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造中[40]。

纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)采用機(jī)械臂或其他形式的自動(dòng)化系統(tǒng)，將纖維束或纖維預(yù)浸帶自動(dòng)鋪設(shè)在模具或基材的指定位置并原位固化，形成具有特定物理機(jī)械性能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。根據(jù)臺(tái)架系統(tǒng)類型，纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)可以分為龍門式、臥式和機(jī)械手臂式等不同類型[41]，如圖10 所示[42–44]。鋪絲頭作為自動(dòng)鋪放技術(shù)的核心機(jī)構(gòu)，具有送帶、預(yù)緊、切帶、加熱、滾壓等多種功能，以適應(yīng)加工過(guò)程中各項(xiàng)鋪放工作，如圖11 所示[41，45]。鋪絲頭的高精度、高速度、長(zhǎng)壽命、易于維護(hù)等特點(diǎn)對(duì)自動(dòng)鋪放技術(shù)的性能和工作效率具有重要影響。新型的鋪絲頭技術(shù)包括基于機(jī)器視覺(jué)和人工智能技術(shù)的自適應(yīng)控制方法[46]和基于光纖傳感和精密控制技術(shù)的高精度鋪絲頭[47]等，這些技術(shù)可以提高鋪放質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖11 鋪絲頭結(jié)構(gòu)Fig.11 Configurations of AFP head

自動(dòng)鋪放技術(shù)在筋–殼一體成型方面的應(yīng)用，主要優(yōu)勢(shì)在于加工靈活度使其能夠在加工曲面的任意區(qū)域鋪設(shè)加強(qiáng)筋，無(wú)須預(yù)先設(shè)計(jì)的凹槽模具或銷釘定位。在此基礎(chǔ)上，鋪絲頭的加熱、滾壓功能能夠強(qiáng)化加強(qiáng)筋與薄殼之前的結(jié)合。為了進(jìn)一步提高加強(qiáng)筋與薄殼之間的結(jié)合強(qiáng)度，在一體化加工成型時(shí)，可采用加強(qiáng)筋內(nèi)嵌[48]的方法進(jìn)行一體化制造，將加強(qiáng)筋包裹在蒙皮內(nèi)部，有效減少加強(qiáng)筋脫離現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)承載能力。此外，針對(duì)加強(qiáng)筋交叉節(jié)點(diǎn)處的材料堆疊和局部缺陷，常采用節(jié)點(diǎn)偏置[49]的方法提高節(jié)點(diǎn)處的表面形貌和力學(xué)性能。

盡管纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但由于其使用特定的材料和工藝，其在實(shí)際制造中還存在一些限制和挑戰(zhàn)，以工藝規(guī)劃軟件為例，為了實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)鋪放，工藝規(guī)劃軟件需要具備模型分析、切片規(guī)劃、路徑生成等多種功能。在模型分析方面，切片軟件需要對(duì)3D 模型進(jìn)行分析，檢測(cè)其中難加工特征，如重疊區(qū)域、內(nèi)部空洞等，并能夠自動(dòng)處理這些問(wèn)題。在切片規(guī)劃方面，切片軟件需要將3D 模型切割為多層2D 圖形，并對(duì)每一層進(jìn)行規(guī)劃，確定鋪放路徑和鋪放順序等，減少纖維帶重疊、空隙等制造缺陷。在路徑生成方面，切片軟件需要生成高效、準(zhǔn)確的路徑，并考慮到纖維帶的材料屬性、纖維方向、厚度等因素，以確保鋪放過(guò)程中的質(zhì)量和效率。

2.3 3D 打印技術(shù)

3D 打印是一種將材料堆疊實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)“生長(zhǎng)”成形的新型制造工藝，具有快速定制和高度靈活的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工制造，大幅縮短零件生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)材料利用率，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，沿纖維軸方向相對(duì)其法向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，因此增強(qiáng)的復(fù)合材料具有各向異性的宏觀力學(xué)性能。相比于傳統(tǒng)的鋪絲、鋪帶制造工藝，3D 打印技術(shù)具有更高的精度和靈活性，可以通過(guò)合理的路徑規(guī)劃，按照設(shè)計(jì)需求在零件的局部區(qū)域內(nèi)打印纖維，從而實(shí)現(xiàn)定制化的力學(xué)性能分布。圖12[50–52]展示了3 種常見(jiàn)的短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印技術(shù)。盡管面向短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材制造技術(shù)變體較多，但其對(duì)零件力學(xué)性能的改善效果有限。因此，深入研究3D 打印技術(shù)在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造中的應(yīng)用和發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

圖12 短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)Fig.12 Additive manufacturing technology of short fiber reinforced composites

部分學(xué)者和企業(yè)在傳統(tǒng)樹(shù)脂熔融沉積成型技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了送絲機(jī)構(gòu)、噴嘴，并增加了剪絲機(jī)構(gòu)等，發(fā)展出了具有連續(xù)纖維打印能力的熔融沉積成型技術(shù)（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM），從而顯著提高了零件的力學(xué)性能。和多材料FDM 技術(shù)類似，擠出機(jī)構(gòu)配備有兩套送絲機(jī)構(gòu)和進(jìn)料口，分別控制樹(shù)脂和纖維進(jìn)給量，如圖13[53]和圖14[54]所示。連續(xù)纖維打印技術(shù)與傳統(tǒng)樹(shù)脂打印技術(shù)不同，對(duì)噴嘴的耐磨性和腔道內(nèi)流動(dòng)性提出了更高的設(shè)計(jì)要求[55]。目前，已經(jīng)有一些較為成熟的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印機(jī)供應(yīng)商，例如美國(guó)的Markforged、Arevo、Continuous Composites、Impossible Objects 公司和俄羅斯的Anisoprint 公司等。這些公司在該領(lǐng)域中不斷進(jìn)行創(chuàng)新研究和技術(shù)革新，推動(dòng)了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印技術(shù)的發(fā)展。

圖13 連續(xù)纖維熔融沉積成型技術(shù)[53]Fig.13 Continuous fiber fused deposition molding technique[53]

圖14 6 自由度機(jī)械臂3D 打印技術(shù)[54]Fig.14 Six DOF articulated type 3D printing[54]

目前，針對(duì)連續(xù)纖維3D 打印的切片軟件較少，主要為上述連續(xù)纖維FDM 打印機(jī)配套軟件，以Eiger?和Aura?為代表，其打印機(jī)具有纖維剪斷裝置，可以根據(jù)實(shí)際打印結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成纖維分布、路徑和含量，實(shí)現(xiàn)幾何形狀內(nèi)部的纖維填充。但這些商業(yè)軟件中關(guān)于纖維路徑設(shè)計(jì)的功能有限，僅提供圖案填充方法選項(xiàng)和基本控制參數(shù)，通常會(huì)導(dǎo)致纖維無(wú)效/低效增強(qiáng)、纖維局部不均勻/不對(duì)稱，以及纖維分布碎片化等缺陷[56–58]。

在當(dāng)前的增材制造技術(shù)中，連續(xù)纖維熔融沉積成型技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造。圖15[59]展示了不同夾芯型式的纖維路徑設(shè)計(jì)。夾芯結(jié)構(gòu)具有類似于薄壁加筋結(jié)構(gòu)的特征，因此其工藝設(shè)計(jì)包括筋殼一體打印、加強(qiáng)筋 （內(nèi)芯）形式、纖維路徑規(guī)劃等同樣是需要考慮的內(nèi)容。

圖15 連續(xù)纖維3D 打印的夾芯結(jié)構(gòu)[59]Fig.15 3D printing of composite sandwich structure[59]

圖16 性能驅(qū)動(dòng)的纖維路徑規(guī)劃方法Fig.16 Performance-driven fiber toolpath planning

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)平面分層打印技術(shù)的局限性日益顯現(xiàn)。尤其對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其力學(xué)性能受到纖維取向的影響，而平面分層打印技術(shù)只能在二維平面內(nèi)排布纖維，無(wú)法沿堆積方向進(jìn)行優(yōu)化布置，限制零件空間內(nèi)的力學(xué)性能。因此，開(kāi)發(fā)出基于多自由度機(jī)械臂的曲面纖維3D 打印技術(shù)是亟須解決的問(wèn)題。如圖14 所示，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)纖維在三維曲面內(nèi)沿任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行3D 打印制造，從而獲得具有空間力學(xué)性能的復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)。目前，該技術(shù)仍處于研究階段，相關(guān)研究者正在探索空間曲面纖維的噴嘴結(jié)構(gòu)、路徑設(shè)計(jì)、控制算法等關(guān)鍵技術(shù)，以進(jìn)一步提高制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量。未來(lái)，曲面纖維3D 打印技術(shù)有望在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

同時(shí)，基于上述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)，一些性能驅(qū)動(dòng)的纖維路徑規(guī)劃方法呈現(xiàn)出從粗糙到精確、從平面到曲面、從時(shí)序設(shè)計(jì)到并行設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，如圖 16 所示[17，60–62]。這些纖維路徑規(guī)劃方法提供了加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)新思路，與現(xiàn)有薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，突破了規(guī)則設(shè)計(jì)域、初始加強(qiáng)筋構(gòu)型、不同優(yōu)化目標(biāo)解析敏度難以計(jì)算等限制，適用于不規(guī)則、復(fù)雜、三維的薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，這些規(guī)劃方法與拓?fù)鋬?yōu)化這種先進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了筋–殼一體化設(shè)計(jì)，尤其適合成型過(guò)程的筋–殼一體化增材制造。這些進(jìn)展為加強(qiáng)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造提供了新的思路和方法。

2.4 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

盡管纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造在薄壁加筋結(jié)構(gòu)上具有廣闊前景，但離大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離，主要受限于制造效率和工藝質(zhì)量。目前，復(fù)合材料增材制造技術(shù)發(fā)展主要圍繞縮短生產(chǎn)周期和提升產(chǎn)品性能兩個(gè)方面，具體有以下發(fā)展趨勢(shì)。

（1）先進(jìn)材料的應(yīng)用。選擇具有更好力學(xué)性能的基體材料，如聚醚醚酮（PEEK）[63–64]等高性能工程塑料[65]，能夠提高復(fù)合材料整體性能。同時(shí)，采用新型的纖維材料，如碳化硅陶瓷纖維[66]等也有望進(jìn)一步提高復(fù)合材料的高溫耐受性和韌性。

（2）多種工藝相結(jié)合。探索多種工藝協(xié)同，如纖維纏繞、自動(dòng)鋪放、3D 打印等工藝之間的協(xié)同，如圖17所示[67]，通過(guò)纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)與3D 打印技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)件快速成型與小范圍內(nèi)的材料填充、纖維加密與性能提升，以提高成品結(jié)構(gòu)的整體性能和制造效率。同時(shí)，與激光輔助、超聲融合等成型技術(shù)結(jié)合，能夠提升纖維固化效率，實(shí)現(xiàn)原位鋪放成型。

圖17 AFP 技術(shù)與3D 打印技術(shù)結(jié)合[67]Fig.17 AFP technology combined with 3D printing technology[67]

圖 18 多機(jī)協(xié)同增材制造大型葉片[68]Fig.18 Multi-machine collaborative additive manufacturing of large blades[68]

（3）路徑規(guī)劃與后處理軟件發(fā)展。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行纖維路徑規(guī)劃，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)和工藝的協(xié)同優(yōu)化，以提高結(jié)構(gòu)最終性能。目前，已有部分國(guó)外商業(yè)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)自動(dòng)鋪放技術(shù)的CAD/CAM 環(huán)境集成，但針對(duì)設(shè)計(jì)和制造的性能評(píng)估還需要進(jìn)一步提高，同時(shí)，國(guó)內(nèi)自主產(chǎn)權(quán)的相關(guān)軟件也需要加強(qiáng)研發(fā)。

（4）多機(jī)、多工序協(xié)同。多機(jī)協(xié)同以拓展工作范圍、消除作業(yè)死區(qū)、提高生產(chǎn)效率，最終實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)件的快速成型。然而，多機(jī)組之間的運(yùn)動(dòng)精度控制是實(shí)現(xiàn)有效協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)手段，如圖18 所示[68]。同時(shí)，多工序協(xié)同能夠縮短工序間運(yùn)轉(zhuǎn)周期，降低設(shè)備空閑率，提高車間整體生產(chǎn)效率。為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)、多工序的協(xié)同制造，還需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化算法、傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

（5）在線檢測(cè)技術(shù)。由于復(fù)合材料工藝缺陷存在多尺度的不確定性[69]，需要采用高精度的在線檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。為了解決這些問(wèn)題，當(dāng)前正在研究和發(fā)展一些新的在線檢測(cè)技術(shù)，例如基于紅外成像的缺陷檢測(cè)技術(shù)、基于聲發(fā)射的損傷檢測(cè)技術(shù)[70]、基于納米材料的傳感器技術(shù)等。這些新技術(shù)能夠更加精準(zhǔn)地檢測(cè)復(fù)合材料中的缺陷，并且具有更高的靈敏度和分辨率。

3 復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

與金屬增材制造發(fā)展規(guī)律類似，復(fù)合材料增材制造正在延伸到更多樣化的領(lǐng)域，尤其是復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)異性能，已成為航空航天領(lǐng)域的重要材料。復(fù)合材料用量也成為評(píng)價(jià)大飛機(jī)設(shè)計(jì)制造先進(jìn)性的關(guān)鍵指標(biāo)[71]，如波音787復(fù)合材料用量達(dá)50%，A350XWB 復(fù)合材料用量為52%[35]。圖19[72]展示了國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919 的復(fù)合材料使用情況，在這些由復(fù)合材料制造的零件中，包含大尺寸的薄壁加筋結(jié)構(gòu)、夾芯結(jié)構(gòu)、變曲率截面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，增加了傳統(tǒng)復(fù)材工藝的制造難度。而復(fù)合材料增材制造技術(shù)提供的靈活性與大尺寸制造能力為這些復(fù)雜承載結(jié)構(gòu)件制造提供了新的選擇。

圖19 復(fù)合材料在國(guó)產(chǎn)客機(jī)C919 中的應(yīng)用[72]Fig.19 Application of composite materials in C919[72]

3.1 高性能復(fù)合材料

在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)的組元選擇受多種因素影響。從纖維增強(qiáng)體的角度看，常用的復(fù)合材料有碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料。此外，還發(fā)展出了混雜纖維復(fù)合材料[73–74]，以碳纖維與玻璃纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料為例，既有碳纖維復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度，又有玻璃纖維復(fù)合材料的韌性、斷裂延伸率。這種混雜纖維復(fù)合材料，不僅能夠節(jié)約成本，還可以通過(guò)對(duì)纖維及其體積分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)拓展復(fù)合材料的物理和機(jī)械性能，得到單一纖維無(wú)法獲得的性質(zhì)。

從基體的角度看，聚合物基復(fù)合材料可以分為熱固性和熱塑性兩類，其中熱固性聚合物基體在高溫高壓或添加催化劑的條件下固化，且固化后不再可塑，因此具有耐高溫、抗腐蝕、高剛度等屬性，但可回收性和加工性能較差。而熱塑性聚合物基體能夠在加熱條件下熔融再加工，因此具有良好的可回收性，且具有較好的抗疲勞性能。目前，一些耐高溫、高性能的熱塑性聚合物基體，如聚醚醚酮、聚苯硫醚 （PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）等[75]在航空航天領(lǐng)域已有應(yīng)用。

纖維、基體材料的材料屬性決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用的材料本構(gòu)模型，除這種材料–結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度外，二者之間的相互作用也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。如纖維與基體的浸潤(rùn)作用會(huì)影響制造環(huán)節(jié)的具體工藝形式及制造成本[76]，二者之間的熱物理性質(zhì)差異會(huì)引起成型過(guò)程中的分層、開(kāi)裂等缺陷。因此，在進(jìn)行材料選擇與設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮纖維、基體以及二者之間的相互作用，充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，以滿足航空航天不同應(yīng)用需求。

3.2 圓柱狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)

圓柱狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)通常由圓柱體薄殼和內(nèi)/外部加強(qiáng)筋構(gòu)成，常見(jiàn)于飛機(jī)圓柱形機(jī)身、火箭燃料罐、導(dǎo)彈筒等部件。圖20[77]展示了一種飛機(jī)機(jī)身的薄壁加筋結(jié)構(gòu)及其制造過(guò)程。針對(duì)圓柱薄壁加筋結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中的多種載荷，如慣性載荷、溫度載荷、外界環(huán)境影響等多種因素。在加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮材料屬性、加強(qiáng)筋數(shù)量、分布、尺寸等設(shè)計(jì)變量，以實(shí)現(xiàn)足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖20 復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)的機(jī)身結(jié)構(gòu)[77]Fig.20 Thin-walled stiffened composite fuselage[77]

圓柱狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程常選用纖維纏繞成型工藝，該工藝尤其適用于回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造。制造過(guò)程涉及材料準(zhǔn)備、纖維鋪放、切割、表面處理等多個(gè)工序，每個(gè)工序都需要保證精度，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)使用需求。此外，當(dāng)前針對(duì)圓柱狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造，存在一些挑戰(zhàn)和需求。例如，如何根據(jù)不同的工況和應(yīng)力情況設(shè)計(jì)合適的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，如何降低加強(qiáng)筋的重量、減少制造成本，如何提高加強(qiáng)筋的定位精度，如何保證結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，對(duì)于圓柱狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展，需要繼續(xù)探索新的設(shè)計(jì)和制造方法，以滿足不斷變化的航空航天領(lǐng)域的需求和挑戰(zhàn)。

3.3 板狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)

板狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括飛機(jī)機(jī)翼、火箭外殼、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等，能夠提高大型平板結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)/航天器等的運(yùn)載能力和效率，如圖21 所示[78–79]。與圓柱薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似，在進(jìn)行板狀加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮工作載荷類型和大小、環(huán)境影響等因素，結(jié)合先進(jìn)的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)薄壁加筋結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度。

圖21 復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)機(jī)翼結(jié)構(gòu)Fig.21 Thin-walled stiffened composite wing

在板狀薄壁加筋結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中，以纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)為主的增材制造技術(shù)逐漸被應(yīng)用于平板結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造。盡管纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)能夠有效提高單位體積纖維的生產(chǎn)制造成本，但是針對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)件的一體成型能力和生產(chǎn)成本的降低仍然是制造方面的重點(diǎn)。為此，引入更加龐大、復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備可以提高大尺寸結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)能力。此外，利用現(xiàn)有流水線的機(jī)器人平臺(tái)并采用多機(jī)協(xié)同的生產(chǎn)策略，能夠降低設(shè)備安裝成本。這些方法有助于加速平板結(jié)構(gòu)制造的工藝流程，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

3.4 不規(guī)則薄壁加筋承載結(jié)構(gòu)

不規(guī)則薄壁加筋承載結(jié)構(gòu)是一種具有非規(guī)則截面形狀和加筋形式的薄壁結(jié)構(gòu)，如圖22 所示[80–81]，其設(shè)計(jì)靈活性高于規(guī)則薄壁加筋結(jié)構(gòu)，但也更加復(fù)雜，需要更多的分析和設(shè)計(jì)工作。目前，隨著加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，尤其是拓?fù)鋬?yōu)化及其他先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，不規(guī)則結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲筋的設(shè)計(jì)能力不斷提高。

圖22 復(fù)合材料增材制造的不規(guī)則結(jié)構(gòu)Fig.22 Thin-walled stiffened composite irregular structure

在制造方面，隨著機(jī)械臂/機(jī)器人輔助設(shè)備的廣泛應(yīng)用，其靈活、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)不斷發(fā)揮，提高了復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)、不規(guī)則薄壁加筋結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)能力。這類結(jié)構(gòu)的加工靈活性主要取決于曲面本身及加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，對(duì)于這種復(fù)雜加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行纖維鋪放路徑設(shè)計(jì)。特別是在機(jī)械臂式系統(tǒng)中，纖維鋪放/打印的自由度大大提高，從而突破了傳統(tǒng)纖維路徑平行和等距限制。因此，通過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的纖維位置和方向，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能的提高，這為薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供了更廣闊的空間和潛力。

4 結(jié)論

復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)作為輕質(zhì)、高強(qiáng)的先進(jìn)承載結(jié)構(gòu)典型代表，其大規(guī)模應(yīng)用推動(dòng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展。目前平面、圓柱/圓錐、大曲率曲面等結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造比較成熟，但對(duì)于復(fù)雜不可解析曲面、不規(guī)則結(jié)構(gòu)等的薄殼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)與制造研究仍處于早期階段。針對(duì)復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造特點(diǎn)，提出以下趨勢(shì)與挑戰(zhàn)。

復(fù)合材料增材制造技術(shù)提高了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造能力，引入了新的結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)自由度，圍繞結(jié)構(gòu)–工藝協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化有以下發(fā)展趨勢(shì)。

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造。復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性在設(shè)計(jì)制造中提出了一些挑戰(zhàn)。為了更好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要研究復(fù)雜且不可解析空間曲面的數(shù)學(xué)表征及其加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)任意空間曲面的性能優(yōu)化。這需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，以支持復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著增材制造能力的不斷提升，有望實(shí)現(xiàn)任意空間薄壁加筋構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造成型。

（2）性能驅(qū)動(dòng)工藝規(guī)劃。增材制造工藝允許精確控制單束纖維的方向，使最終零件達(dá)到特定的機(jī)械性能，這意味著在進(jìn)行加強(qiáng)筋/纖維路徑設(shè)計(jì)時(shí)需要更仔細(xì)地規(guī)劃和優(yōu)化纖維方向，在真實(shí)工況與應(yīng)力狀態(tài)下，通過(guò)全局/局部纖維方向調(diào)控實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的全局/局部性能設(shè)計(jì)。此外，可以引入先進(jìn)的多物理場(chǎng)仿真技術(shù)，如有限元分析和流體動(dòng)力學(xué)模擬，來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)合材料加強(qiáng)筋在使用過(guò)程中的應(yīng)力分布、變形、損傷等情況，從而更好地進(jìn)行纖維路徑設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃。

（3）多設(shè)計(jì)域協(xié)同優(yōu)化。針對(duì)復(fù)合材料的各向異性，在結(jié)構(gòu)、路徑設(shè)計(jì)中引入具體材料屬性以實(shí)現(xiàn)材料–結(jié)構(gòu)–工藝三者協(xié)同設(shè)計(jì)。目前，基于組合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、阻尼等方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。同時(shí)，通過(guò)引入不同纖維及基體組合的具體屬性，提高了設(shè)計(jì)自由度，以實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化。

受制造設(shè)備硬件與復(fù)合材料本身性質(zhì)的影響，也為結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的約束，面臨以下挑戰(zhàn)。

（1）結(jié)構(gòu)幾何形狀。在進(jìn)行復(fù)合材料薄殼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的幾何形狀也是一個(gè)重要的考慮因素。例如，對(duì)于殼體最小曲率、纖維最小剪斷距離、纖維預(yù)擠出長(zhǎng)度等幾何限制，需要進(jìn)行精確計(jì)算和優(yōu)化。此外，考慮到機(jī)械臂或其他自動(dòng)化系統(tǒng)的靈活性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮具體幾何形狀以及實(shí)際制造的工作范圍，對(duì)于復(fù)雜的形狀可能需要考慮多機(jī)組協(xié)同設(shè)計(jì)。

（2）纖維排鋪路徑。在增材制造中，纖維排鋪路徑設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)，因?yàn)樗苯記Q定了增材制造零件的力學(xué)性能。同時(shí)，纖維路徑不連續(xù)會(huì)增加纖維剪斷、預(yù)擠出等過(guò)程，降低生產(chǎn)效率和質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)最佳的性能，需要在纖維鋪放路徑設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮多種因素，如纖維的層疊順序、纖維鋪放路徑、節(jié)點(diǎn)處理策略等。特別是對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如曲面和不規(guī)則形狀的零件，纖維鋪放路徑的設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、工藝參數(shù)的影響以及生產(chǎn)效率的要求等多方面因素。

（3）關(guān)鍵工藝參數(shù)。復(fù)合材料本身的材料屬性除了由纖維及基體的種類決定外，兩者之間的浸漬程度也是影響材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。為了提高浸漬效果、提升復(fù)合材料力學(xué)性能，需要通過(guò)仿真或試驗(yàn)建立制造過(guò)程中打印溫度、速度、預(yù)緊力等工藝參數(shù)與纖維–基體浸漬程度的映射關(guān)系，并以此為依據(jù)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此外，通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法可以快速、準(zhǔn)確找到最佳工藝參數(shù)組合，從而進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

（4）特征處理策略。與均質(zhì)材料成型不同，纖維特征如交叉、重疊等會(huì)出現(xiàn)不可忽略的材料堆積現(xiàn)象，表現(xiàn)為微觀結(jié)構(gòu)中的纖維斷裂和宏觀層面上的層厚變化，造成零件局部力學(xué)性能下降與加工幾何精度變差。傳統(tǒng)的纖維方向規(guī)劃和路徑設(shè)計(jì)往往難以處理這些特征，因此亟須發(fā)展新的纖維排布和特征處理策略。