“工業母機—復合材料加工”專題 | 寧夏大學宿友亮教授團隊：挖補修復用FRP預浸料自動鋪放的基礎實驗研究

專題文章（七）

作者簡介

宿友亮

寧夏大學

教授、博導

• 寧夏青年拔尖人才

• 獲全國運載領域復合材料創新技術獎、寧夏高等教育教學成果特等獎、寶鋼優秀教師獎等多項獎勵

• 長期從事復材加工技術、在位修復技術與智能裝備、柔性智能制造等方面的研究工作

作者簡介

呂偉珍

寧夏工商職業技術大學

副教授

• 長期從事在位修復技術與智能裝備、柔性智能制造等方面的研究工作

宿友亮, 劉文輝, 惠繼錄, 馬澤峰, 呂偉珍. 挖補修復用FRP預浸料自動鋪放的基礎實驗研究[J]. 制造技術與機床, 2026(5): 62-71. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.007

宿友亮① 劉文輝① 惠繼錄② 馬澤峰① 呂偉珍①③

（①寧夏大學機械工程學院

②中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司

③寧夏工商職業技術大學）

研究背景

風電、航空裝備大量使用FRP復合材料實現輕量化，但構件在制造與長期服役中易出現分層、裂紋、沖擊凹坑等損傷，挖補修復憑借優異力學與外形保持效果成為主流修復手段，現有濕鋪層、預固化修復工藝均存在明顯短板，預浸料法更適配現場修補，目前行業仍依靠人工鋪放導致修復質量離散度高，常規面向構件成型的自動鋪絲、鋪帶設備無法適配挖補區域小尺寸、異形內凹的工況，同時薄壁弱剛性預浸料在真空抓取轉移時極易產生懸垂變形并衍生褶皺、翹邊、鼓包缺陷，缺少溫度、吸盤結構、補片尺寸等關鍵參數對變形影響的系統量化研究與力學分析模型，基于以上工程痛點，本文開展真空吸盤式預浸料自動鋪放基礎實驗研究，為自動化修復工藝與裝備研發提供試驗與理論支撐。

研究內容

本文自主搭建集成運動控制、紅外加熱溫控、三維形貌掃描檢測功能的挖補修復預浸料自動鋪放原理實驗臺，選用3K-T300碳纖維預浸料并參照風電行業規范設計多規格階梯方形補片，圍繞鋪放溫度、真空吸盤形狀排布與內部結構、補片懸臂長度三大變量開展對照實驗，借助三維掃描儀、測溫熱電偶、圖像測量工具量化預浸料懸垂撓度與鋪放缺陷尺寸，以有效鋪放長度、褶皺高寬比作為質量評判標準，系統分析各工藝參數對補片變形、褶皺翹邊缺陷的影響規律，確定最優溫度、吸盤構型與補片尺寸閾值，并依托預浸料抓取、下壓鋪放全流程在線形貌觀測結果，構建可完整描述補片懸空、壓展、四角翹邊、中部拱起四種工況的簡化梁力學模型，闡明懸垂變形轉化為永久性鋪放缺陷的內在力學機理。

鋪放過程中的簡化力學模型

結語

本文依托模擬完整鋪放流程的自研實驗平臺，系統探究溫度、吸盤結構、懸臂長度對預浸料變形與鋪放質量的作用規律，明確25 ℃鋪放溫度、多孔均布方形吸盤、不大于120 mm×120 mm且懸臂長度31 mm以內的補片為最優工藝組合，該參數下補片自重懸垂量低于2.75 mm，褶皺、翹邊等缺陷均可控制在合格容限范圍內，實驗觀測證實預浸料抓取轉運階段的懸垂形態與下壓鋪展全過程的變形行為直接決定最終鋪放缺陷嚴重程度，所建立的四種梁式力學模型清晰地揭示了懸垂變形誘發翹邊、褶皺缺陷的力學機制，整套實驗數據、參數規律與力學模型能夠為挖補修復預浸料自動鋪放相關基礎研究、自動化裝備開發與標準化修補工藝制定提供可靠的理論與試驗支撐，有效解決手工鋪放質量不穩定、傳統成型自動鋪放設備不適配修復工況的工程難題。

近年團隊發表文章

[1] Su Youliang. Effect of the cutting speed on the cutting mechanism in machining CFRP[J]. Composite Structures,2019, 220: 662-676.

[2] Su Youliang，Jia Zhenyuan，Niu Bin, et al. Size effect of depth of cut on chip formation mechanism in machining of CFRP[J]. Composite Structures, 2017, 164: 316-327.

[3] 宿友亮,文天皓,孟志堅,等. 切削CFRP中金剛石刀具的納觀磨損機理及磨損抑制研究[J]. 機械工程學報,2025,61(7):181-197.

[4] Wang M, Yang H A, Liu Z H, et al. A distinctive atomic slipping behavior in single atomic layer removal of Cu chemical mechanical polishing[J]. Tribology International, 2010, 214(PartA):15.

[5] Wang M, Yang H A, Liu Z H, et al. A distinctive atomic slipping behavior in single atomic layer removal of Cu chemical mechanical polishing[J]. Tribology International, 2010, 214(PartA):15.

[6] 宿友亮,孟志堅,郜雪楠,等. CFRP切削加工中刀具磨損研究進展[J]. 表面技術,2023,52(8):27-48.

[7] 宿友亮,黎游,孟志堅,等. CFRP柔性件保形加工中的變形控制[J].復合材料學報,2023,40(2):1179-1189.

[8] 宿友亮,劉文輝,惠繼錄,等. 挖補修復用FRP預浸料自動鋪放的基礎實驗研究[J]. 制造技術與機床,2026(5):62-71.

[9] 宿友亮, 崔昊, 郜雪楠,等. QPQ處理對27SiMn合金鋼堆焊鎳鋁青銅合金涂層組織與性能的影響[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2025,53(3):105-115.

[10] Jia Zhenyuan, Su Youliang, Niu Bin, et al. Deterioration of polycrystalline diamond tools in milling of carbon-fiber-reinforced plastic[J]. Journal of Composite Materials, 2016, 51(16): 2277-2290.

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