“工业母机—复合材料加工”专题 | 宁夏大学宿友亮教授团队：挖补修复用FRP预浸料自动铺放的基础实验研究

专题文章（七）

作者简介

宿友亮

宁夏大学

教授、博导

• 宁夏青年拔尖人才

• 获全国运载领域复合材料创新技术奖、宁夏高等教育教学成果特等奖、宝钢优秀教师奖等多项奖励

• 长期从事复材加工技术、在位修复技术与智能装备、柔性智能制造等方面的研究工作

作者简介

吕伟珍

宁夏工商职业技术大学

副教授

• 长期从事在位修复技术与智能装备、柔性智能制造等方面的研究工作

宿友亮, 刘文辉, 惠继录, 马泽峰, 吕伟珍. 挖补修复用FRP预浸料自动铺放的基础实验研究[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 62-71. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.007

宿友亮① 刘文辉① 惠继录② 马泽峰① 吕伟珍①③

（①宁夏大学机械工程学院

②中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司

③宁夏工商职业技术大学）

研究背景

风电、航空装备大量使用FRP复合材料实现轻量化，但构件在制造与长期服役中易出现分层、裂纹、冲击凹坑等损伤，挖补修复凭借优异力学与外形保持效果成为主流修复手段，现有湿铺层、预固化修复工艺均存在明显短板，预浸料法更适配现场修补，目前行业仍依靠人工铺放导致修复质量离散度高，常规面向构件成型的自动铺丝、铺带设备无法适配挖补区域小尺寸、异形内凹的工况，同时薄壁弱刚性预浸料在真空抓取转移时极易产生悬垂变形并衍生褶皱、翘边、鼓包缺陷，缺少温度、吸盘结构、补片尺寸等关键参数对变形影响的系统量化研究与力学分析模型，基于以上工程痛点，本文开展真空吸盘式预浸料自动铺放基础实验研究，为自动化修复工艺与装备研发提供试验与理论支撑。

研究内容

本文自主搭建集成运动控制、红外加热温控、三维形貌扫描检测功能的挖补修复预浸料自动铺放原理实验台，选用3K-T300碳纤维预浸料并参照风电行业规范设计多规格阶梯方形补片，围绕铺放温度、真空吸盘形状排布与内部结构、补片悬臂长度三大变量开展对照实验，借助三维扫描仪、测温热电偶、图像测量工具量化预浸料悬垂挠度与铺放缺陷尺寸，以有效铺放长度、褶皱高宽比作为质量评判标准，系统分析各工艺参数对补片变形、褶皱翘边缺陷的影响规律，确定最优温度、吸盘构型与补片尺寸阈值，并依托预浸料抓取、下压铺放全流程在线形貌观测结果，构建可完整描述补片悬空、压展、四角翘边、中部拱起四种工况的简化梁力学模型，阐明悬垂变形转化为永久性铺放缺陷的内在力学机理。

铺放过程中的简化力学模型

结语

本文依托模拟完整铺放流程的自研实验平台，系统探究温度、吸盘结构、悬臂长度对预浸料变形与铺放质量的作用规律，明确25 ℃铺放温度、多孔均布方形吸盘、不大于120 mm×120 mm且悬臂长度31 mm以内的补片为最优工艺组合，该参数下补片自重悬垂量低于2.75 mm，褶皱、翘边等缺陷均可控制在合格容限范围内，实验观测证实预浸料抓取转运阶段的悬垂形态与下压铺展全过程的变形行为直接决定最终铺放缺陷严重程度，所建立的四种梁式力学模型清晰地揭示了悬垂变形诱发翘边、褶皱缺陷的力学机制，整套实验数据、参数规律与力学模型能够为挖补修复预浸料自动铺放相关基础研究、自动化装备开发与标准化修补工艺制定提供可靠的理论与试验支撑，有效解决手工铺放质量不稳定、传统成型自动铺放设备不适配修复工况的工程难题。

近年团队发表文章

[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,孟志坚,等. 切削CFRP中金刚石刀具的纳观磨损机理及磨损抑制研究[J]. 机械工程学报,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,孟志坚,郜雪楠,等. CFRP切削加工中刀具磨损研究进展[J]. 表面技术,2023,52(8):27-48.

[7] 宿友亮,黎游,孟志坚,等. CFRP柔性件保形加工中的变形控制[J].复合材料学报,2023,40(2):1179-1189.

[8] 宿友亮,刘文辉,惠继录,等. 挖补修复用FRP预浸料自动铺放的基础实验研究[J]. 制造技术与机床,2026(5):62-71.

[9] 宿友亮, 崔昊, 郜雪楠,等. QPQ处理对27SiMn合金钢堆焊镍铝青铜合金涂层组织与性能的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 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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