Моделирование узла натяжения ленты препрега для автоматизированной выкладки

Решена задача моделирования узла натяжения ленты препрега в процессе автоматизированной выкладки. Показано, что обычно узел подачи моделируется как механическая система с постоянным моментом инерции катушки и неизменной геометрией подводящего участка, что не соответствует реальному процессу размотки. Предложена математическая модель, учитывающая намотку материала на катушку по спирали, изменение радиуса катушки и момента инерции системы, а также зависимость длины ленты между катушкой и обводным роликом от угла поворота катушки. Проанализировано влияние жесткости пружины и расстояния между катушкой и обводным роликом на пульсации силы натяжения и рабочий ход пружины. Показано, что уменьшение жесткости пружины снижает амплитуду пульсаций, но повышает габариты узла натяжения, а увеличение расстояния между катушкой и обводным роликом уменьшает требуемый рабочий ход пружины. Представлен подход к выбору жесткости пружины и расстояния между катушкой и обводным роликом, основанный на минимизации габаритов узла натяжения при ограничении на максимально допустимые пульсации силы натяжения. Разработанная модель может использоваться при проектировании систем натяжения ленты препрега и выборе параметров пассивных компенсаторов натяжения. 

1. Brasington A., Sacco Ch., Halbritter J., Wehbe R., Harik R. Automated Fiber Placement: A Review of History, Current Technologies, and Future Paths Forward // Composites Part C. 2021. Vol. 6. Art. no. 100182.

2. Dong Wei, Lin Chen, Jie-Sheng Wang, Xing Yao. Design of Automatic Control System for Constant Tension and Linear Speed of Rewinder Machine // Engineering Letters. 2021. Vol. 29, is. 1. Art. no. EL_29_1_25.

3. Yan Li, Zhe Che, Chenggan Zheng, Zhi Li, Han Wang, Liang Cheng, Junxia Jiang. Modeling of Precise Tension with Passive Dancers for Automated Fiber Placement // Actuators. 2024. Vol. 13, N 2. Р. 70. DOI: 10.3390/act13020070.

4. Yi Liu, Qiang Fang, Yinglin Ke. Modeling of Tension Control System with Passive Dancer Roll for Automated Fiber Placement // Mathematical Problems in Engineering. 2020. N 1. Р. 1–11. DOI: 10.1155/2020/9839341.

5. Wuxiang Zhang, Fei Liu, Tao Jiang, Minghui Yi, Weiqiang Chen, Xilun Ding. Overview of current design and analysis of potential theories for automated fibre placement mechanisms // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. 17 p. https://doi.org/10.1016/J.CJA.2021.04.018.

6. Mengjuan Chen, Baolin Wu, Yao Chen, Tianyi Luo, Fengyu Yang. Design of Tension Control System for Automated Fibre Placement // 5th Intern. Conf. on Mechanical Engineering, Materials and Energy (5th ICMEME2016). 2016. DOI: 10.2991/icmeme-16.2016.16.

7. Kim S., Kim D. D., Anthony B. Dynamic Control of a Fiber Manufacturing Process using Deep Reinforcement Learning // arXiv:1911.10286v1 [eess.SY]. 23 Nov 2019. https://arxiv.org/pdf/1911.10286v1.

8. Cheng L., Zheng C., Li Y., Chen C., Zhang S., Wu J., Dong H., Ke Y. Fiber Tension Prediction and Control Methods in Automated Fiber Placement // Polymer Composites. 2024. Vol. 45, N 16. P. 14888–14904.

9. Liu Y., Fang Q, Ke Y. Modeling of Tension Control System with Passive Dancer Roll for Automated Fiber Placement // Mathematical Problems in Engineering. 2020. Vol. 2020, N 1. Art. no. 9839341. P. 1–11.

10. Han P., Wang W., Li Z., Zhang W., Pu J. Research on Unwinding Mechanism Design and Tension Control Strategy for Winding Machines // Processes. 2025. Vol. 13, N 8. Art. no. 2612.

11. Belhaj M., Hojjati M. Wrinkle Formation during Steering in Automated Fiber Placement: Modeling and Experimental Verification // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2018. Vol. 37, N 6. P. 396–409.

12. Zhang H., Tang H., Shi Y. Precision Tension Control Technology of Composite Fiber Tape Winding Molding // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2018. Vol. 31, N 7. P. 925–945.

13. Chen M., Wu B., Chen Y., Luo T., Yang F. Design of Tension Control System for Automated Fibre Placement // Proc. of the 5th Intern. Conf. on Mechanical Engineering, Materials and Energy (ICMEME 2016). 2016. P. 93–98.

14. Mahapatra S., Ivanov D., Hallett S. R., Belnoue J.-P. Numerical Simulation of Process-Induced Defects in Thermosetting Automated Fibre Placement (AFP): A Review // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2026. Vol. 200. Art. no. 109265.

15. Carosella S., Hügle S., Helber F., Middendorf P. A Short Review on Recent Advances in Automated Fiber Placement and Filament Winding Technologies // Composites Part B : Engineering. 2024. Vol. 287, N 3. Art. no. 111843.

16. Denkena B., Schmidt C., Weberb P. Automated Fiber Placement Head for Manufacturing of Innovative Aerospace Stiffening Structures // 16th Machining Innovations Conference for Aerospace Industry — MIC 2016. Procedia Manufacturing. 2016. Vol. 6. Р. 96–104.

17. Lezma Y. G. A. Prototyping a Combined Fiber Placement and Filament Winding Head (CFPH) using robots in collaboration: Master of Science in Mechanical Engineering Milano. 2023. 50 р.

18. Sabido A. M. Development of an Automated Fiber Placement Process for the Fabrication of Thermoplastic Composite Laminates: Master of Science in Aerospace Engineering. Florida, 2012. 84 р.

19. Halbritter J. A. Leveraging Automated Fiber Placement Computer Aided Process Planning Framework for Defect Validation and Dynamic Layup Strategies: Doct. Dis. … Mechanical Engineering. South Carolina, 2023. 205 р.