面向2035年复合材料构件精确制造发展战略研究.docx

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1、目录编者按21 .前言22 .复合材料构件设计的背景与需求31. 1.复合材料构件的多场多尺度设计理论32. 2.复合材料构件动力学设计理论及仿真方法42.3.复合材料构件的数据驱动仿真方法53 .复合材料构件精确制造技术发展现状及趋势63.1. 复合材料构件趋于大型化、集成化、整体化63.2. 复合材料制造装备趋于自动化、数字化、智能化63.3. 复合材料制造技术趋于结构功能一体化、可定制化73.4. 复合材料构件强度与寿命仿真评价方法74 .复合材料构件精确制造关键技术与装备84.1. 1.高精密数控缠绕技术与装备84.2. 亚合材料自动铺放技术及装备84.3. 复合材料预制体成形技术及装

2、备94.4. 纤维复合材料增材制造技术及装备94.5. 5.高性能碳纤维生产技术及装备IO5 .我国复合材料构件精确制造发展思路和目标IO5.1.发展思路101 .2.2035年发展目标126 .复合材料构件设计理论及仿真的研究现状与趋势13?复合材料构件多场多尺度设计理论13?复合材料构件动力学设计理论14?复合材料构件的数据驱动仿真方法14?复合材料构件强度与寿命仿真评价方法167 .复合材料构件设计理论及仿真的重点发展方向18?极端和多场环境下复合材料构件的设计理论18?复合材料构件动力学分析与设计理论18?数据驱动的复合材料构件仿真方法19?复合材料构件强度与寿命仿真评价方法198.我

3、国复合材料构件精确制造发展建议211. 1.建设先进复合材料制造技术与装备国家级创新研发机构218. 2.复合材料制造技术与装备列入国际合作重点领域与项目指南229. 3.设立复合材料制造技术与装备国家重点研发计划专项或重点支持方向2210. 4.复合材料制造技术与装备列入重大基础研究计划项目和重点支持方向2311. .加强产业政策引导，扶持复合材料企业创新发展23编者按先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通等领域的装备制造，是工业发达国家战略必争资源；保障和提升先进复合材料的供给能力，突破大型复杂复合材料构件的设计成形、加工装配、检测修复等精确制造

4、技术，对支撑制造强国建设具有重要价值。中国工程院单忠德院士研究团队在中国工程院院刊中国工程科学2023年第1期发表面向2035年复合材料构件精确制造发展战略研究一文。文章总结了国内外复合材料构件精确制造技术的发展现状及趋势，从高精密数控缠绕、复合材料自动铺放、复合材料预制体成形、纤维复合材料增材制造、高性能碳纤维生产等方面梳理了复合材料构件精确制造的关键技术与装备；结合基本态势研判了制约复合材料制造技术水平提升的“卡脖子”环节，提出了我国复合材料构件制造技术与装备的发展思路与分阶段发展目标。研究建议，组织建设国家级创新机构，设立国家重大专项支持，加强学科建设和人才培养，加强国际技术交流与合作，

5、着力推动重大科学创新和关键技术突破，为国家重大工程和装备应用提供高质量科技支撑。1 .前言高端装备是国家科技实力和竞争力的重要载体，其发展程度直接体现制造业的质量水平。在航空航天、轨道交通、能源电力等高端装备制造业中，为实现性能跃升与绿色发展，轻量化制造成为重要举措，减轻结构质量、提高结构效率是主要形式。先进复合材料因其高比强度、高比模量、良好可设计性等特点成为高端装备“减重增效”的必然选择，对高端装备制造、新能源等产业发挥了积极推动作用；复合材料的用量已是衡量制造业装备先进性的主要标志之先进复合材料的发展和应用对实现高端装备轻量化、绿色化、智能化具有重要作用。例如，复合材料用于箭体整流罩、壳

6、体、发动机喉衬和喷管等关键部件制造，提高了航天器的轻量化水平；大量采用碳纤维复合材料的国产地铁车辆，综合节能效率提高了15%以上；风力发电机叶片成为体量最大的单一复合材料产品，高性能复合材料决定了叶片综合性能。随着复合材料在装备应用方面的拓展，世界复合材料产业发展迅速，如2023年碳纤维复合材料的总需求达到1.069X105t;今后10年复合材料市场仍处于扩张期，复合年增长率将超过8%。近年来，我国复合材料行业需求量年增长率超过20%,预计2025年市场规模将超过3500亿元。得益于新一轮科技革命，复合材料技术不断突破并与先进制造技术加速融合，推动复合材料制造技术成为抢占科技产业竞争的焦点。复

7、合材料制造技术涉及多学科交叉、多技术融合，研究内容涵盖复合材料构件设计理论及仿真，复合材料构件成形、加工、装配、检测监测以及相应的评价与修复。复合材料精确制造是保障复合材料构件服役性能的关键环节，亟需突破大型复合材料构件的设计成形、加工装配、检测修复等技术。工业发达国家建立了聚合物和复合工程中心、复合材料制造技术中心、国家复合材料中心等国家级研究机构，将碳纤维复合材料发展纳入国家产业发展计划。在我国，“制造强国”等发展规划均将先进复合材料列为重点方向，以积极参与世界复合材料产业的竞争与合作。中国工程院咨询项目“面向2035的复合材料构件精确制造发展战略研究”,开展复合材料制造行业宏观分析和顶层

8、设计以推动高质量发展。本文作为相关咨询项目研究成果的学术性展示，旨在分析复合材料精确制造技术发展态势，梳理关键技术与装备研究进展，提出领域发展思路、目标及针对性的举措建议,以期为复合材料制造产业发展与技术研究提供基础参考。2 .复合材料构件设计的背景与需求2.1. 复合材料构件的多场多尺度设计理论先进装备对复合材料构件服役环境提出了严苛要求，如在高温氧化、化学腐蚀、电磁辐射等极端和复杂环境下，复合材料构件会出现强烈的多物理场耦合行为，其变形、损伤、破坏是多种机理相互影响与耦合作用的结果。在航空、航天、深空、深海、医工交叉等领域，很多复合材料构件服役于复杂的多场环境中，涉及力学、化学、光学、电磁

9、等多物理场的耦合作用。例如，高温环境下的复合材料构件涉及力学与化学（如氧化、腐蚀、烧蚀等）耦合，不仅存在溶质组分的扩散、聚集等物理过程，还伴随着氧化反应等化学过程，表现出非平衡、非稳态、多介质、强非线性、强耦合的复杂特征。对于多场环境下服役的复合材料构件，单纯以力学量（应力、应变、变形能等）为基础的传统设计理论及失效准则不再适用，亟需发展多场耦合的新型设计理论和仿真评估体系。复合材料构件在细观尺度单元中包含大量的纤维，若采用考虑基体、纤维所有微观特征的设计及计算方法，对大尺度复合材料而言计算成本是难以负担的。为了同时刻画复合材料构件宏观与细观尺度的多场耦合变形、损伤、破坏等行为，可行的方式是采

10、用多尺度方法，即分别在宏观、细观尺度上开展多场耦合设计及计算，同时建立多尺度之间的联系，相关方法在复合材料热一一力耦合，磁一一电一一力耦合等方面获得初步应用。多场耦合环境下复合材料构件的变形分析方法、损伤失效机理、服役安全及耐久性多尺度设计，是重大装备发展过程中亟待解决的关键科学问题。因此，发展多物理场耦合条件下复合材料一一结构一体化多尺度设计理论体系，是重要且具有挑战性的科学任务。2.2.复合材料构件动力学设计理论及仿真方法爆炸、冲击、振动等动态服役环境，对复合材料构件动力学设计理论与仿真方法提出了严峻挑战。基于现有的纤维树脂基复合材料体系，从材料固有属性出发，突破材料结构一体化设计极限，发

11、展真正面向实际动态服役工况，具备抗爆、抗冲击、减隔振性能的复合材料构件动力学设计与仿真体系，是高性能复合材料构件在未来装备上的应用趋势。复合材料研究与应用强国在复合材料结构抗冲击、抗爆炸性能方面己有数十年的基础和经验，建立了比较系统的复合材料构件动力学设计与仿真体系；在此基础上拓展形成了完整的复合材料抗爆、抗冲击、减隔振动力学设计及仿真标准。相比之下，国内存在的差距表现在：有关复合材料构件结构在动态载荷下的损伤演化规律认识不清，无法准确预报结构性能；针对复合材料构件结构抗爆、抗冲击、减隔振等动态响应的设计理论与仿真平台缺乏，无法充分发挥复合材料构件在动态载荷下应有的性能与特征优势。因此，发展复

12、合材料构件动力学设计理论及仿真方法是需求迫切且具挑战性的科学任务。2. 3.复合材料构件的数据驱动仿真方法先进装备对高性能复合材料构件的需求快速增长，但现有设计与仿真方法难以实现显著缩短以下方面的时间周期：复合材料构件设计研发、大型复合材料构件大批量虚拟实验、复合材料构件多尺度力学行为表征。在基于经典范式的单机串行求解体系下，复合材料构件的大规模复杂力学行为计算仿真效率提升空间已逼近极限。随着数据科学领域中人工智能(AI)的快速发展，复合材料构件仿真方法的研究范式已经出现根本性的变化；在实验、理论、计算的经典范式发展趋于成熟后，数据科学成为科学研究的第四范式。以数据驱动、AK数字挛生为代表的大

13、数据科学手段，可显著降低智力消耗与时间成本，为复合材料构件的高效研发与快速评估提供了新思路。发展以高质量数据库、高效率数据驱动算法为核心的仿真方法，正当其时。复合材料构件在不同尺度上具有不同的材料特征，复杂承载条件下构件的损伤与破坏也具有多尺度特征。传统的唯象方法只能表征宏观尺度下的平均性能，无法准确刻画细观及微观尺度下的力学行为；传统的计算方法停留于代表性体积单胞的求解层面，只能得到细观或微观尺度上的力学响应，而无法与复合材料构件的宏观性能进行关联；传统的唯象本构及计算方法，难以精确且高效地预测复合材料构件的力学性能。多尺度分析方法可有效捕捉复合材料构件的宏一一细观力学行为，但面临计算效率偏

14、低、求解自由度过大等困难。因此,亟需引入数据科学领域的数据驱动算法，拓展与经典力学方法相融合的多种计算仿真模式；建立复合材料构件的高性能计算分析平台，提供从材料设计、制备到结构性能评估的复合材料构件全产业链支撑能力。3.复合材料构件精确制造技术发展现状及趋势3.1.复合材料构件趋于大型化、集成化、整体化随着大型民机、重型运载火箭等装备技术的发展，复合材料构件呈现出大型化、集成化、整体化的应用趋势。大型化是复合材料构件发展的直观表现，也是主要趋势之一，如主体由轻质高强的复合材料制成的风力发电机叶片长度超过了IOOm,复合材料制造的重型运载火箭推进剂贮箱的直径达到IOm。集成化、整体化的复合材料构

15、件是航空航天运载器总体性能提升的重要支撑。一次性地制造出大型、复杂、含多个零部件的整体制件(如带梁、肋、壁板的复杂结构整体成形)是技术发展方向，可减少紧固件数量、降低装配难度、优化材料消耗、减轻结构质量，最终表现为制造成本降低与承载能力提升。例如,第四代战斗机通过结构整体性优化，将约600个复合材料零部件减少为约200个、约135000个紧固件减少为约600个；双通道民机的机身段采用了复合材料整体化制造方案，替代的金属机身有约1500个铝合金件、40000个卸钉等紧固件。3. 2.复合材料制造装备趋于自动化、数字化、智能化航空航天高端装备的快速发展对复合材料构件制造提出了更高要求，具有自动化、

16、数字化、智能化特征的复合材料成形装备才能适应这一趋势。当前，受限于复合材料制造技术水平，复合材料成形过程中人工干预多，复杂形状构件的自动化制造较难实现。以热压罐成形技术为例，制造过程仍以手工、半机械化为主，周期长、效率低、精度不高，制约了行业发展水平。为实现复合材料构件的精确制造，需要发展针对复合材料复杂构件的数字化成形控制系统，研发集成计算机辅助设计/计算机辅助制造(CADCAM)的大型数字化成形装备，涵盖成形设计、工艺规划、参数调控、现场监测等功能，据此解决生产过程用工密集、制造效率不高的问题。目前，自动铺丝/自动铺带技术已实现数字化控制，预浸料层片裁剪、激光辅助定位铺层等环节实现了数控化，在提