复合材料具有高比强度、高比刚度、轻质量、耐腐蚀等特点,尤其在制品减重方面的优异表现,被广泛应用于航空、航天、船舶及汽车等领域,而先进的复合材料成型技术是实现高性能复合材料结构件制造的重要保证。复合材料氧化剂贮箱是固液混合火箭的关键结构件,目前主要以纤维缠绕/铺放成型含内衬的复合材料结构为主,然而含内衬贮箱的复合材料层与内衬外表面容易分层,导致制品性能下降,同时较重的内衬会大大增加火箭的重量。因此,对无内衬复合材料氧化剂贮箱成型技术的研究已引起学者们越来越多的关注与重视,具有十分重要的理论意义和工程应用价值。无内衬复合材料氧化剂贮箱由两侧的端盖和中间的圆柱形部件组成,其中两侧端盖为非可展曲面,纤维铺放工艺过程复杂;另外,无内衬复合材料氧化剂贮箱与含钢、铝内衬贮箱的强度与气密性方面相比,其对纤维铺放成型工艺、工艺参数设计以及制品性能控制等提出了更高的要求。针对上述问题,本文基于机器人纤维铺放实验平台,提出了氧化剂贮箱端盖纤维铺放成型工艺方法,同时对纤维铺放工艺参数对制品层间剪切强度的影响机制等内容进行了深入分析与讨论。论文的研究内容主要包括以下几点:第一,建立了无内衬氧化剂贮箱端盖铺放成型工艺与装备系统。通过对无内衬氧化剂贮箱纤维铺放工艺过程分析,设计了氧化剂贮箱工艺结构。依据复合材料弹性力学理论与最大应变失效准则,确定了铺层角度和铺层数。对端盖曲面过渡区域采用多丝束铺放,并通过对两侧纤维束与芯模表面易产生间隙的现象进行实验分析,确定了单次最多铺丝数量。同时,针对非可展曲面端盖机器人纤维铺放工艺过程,基于对端盖芯模支撑随动机构的动力学与运动学分析,从总体结构布局、伺服驱动方式及运动控制系统等方面对该机构进行设计,建立了完整的氧化剂贮箱端盖铺放系统。第二,建立了恒工艺参数制品层间剪切强度经验模型。基于对机器人纤维铺放工艺过程的分析,以铺放压力、铺放速度与热气炬温度为关键过程工艺参数,并选取层间剪切强度为优化目标。根据响应面Box-behnken设计实验,通过恒工艺参数铺放实验以及层间剪切强度测试实验,建立了恒工艺参数与制品层间剪切强度映射模型,并利用方差分析验证了模型的可靠性及有效性;根据模型的仿真结果,分析了工艺参数对制品层间剪切强度的影响规律,并获得了恒工艺参数纤维铺放成型最优工艺参数组合。第三,建立了铺放工艺参数对层间结合度的多层作用机理模型。采用有限元法分析橡胶压辊与复合材料基底接触变形过程,获得压辊下压量、接触压应力与变形接触区域长度的作用关系,并通过分析铺放过程中的压力作用规律,建立了多层压力分布模型。同时,对热气炬沿厚度方向加热及散热过程进行分析,建立了基于热传导方程的多层温度分布模型。其次,基于预浸纤维丝束的微观形貌,对纤维铺放层间结合过程进行研究,建立了纤维铺放成型两层粘合层间结合度理论模型。继而以上述模型为基础,建立铺放工艺参数对层间结合度的多层作用机理模型。第四,提出了层间结合度均匀性优化方法。基于铺放工艺参数对层间结合度的多层作用机理模型,分析工艺参数沿厚度方向对层间结合度的单因素和多因素耦合作用规律。同时,针对纤维丝束转向过程,采用梁弯曲理论分析了丝束应力状态,并对压辊内外速度不平衡进行研究,确定了纤维波纹产生的原因。基于此,提出并通过实验验证了使用多组件式压辊可有效减小纤维波纹高度。最终,分别以沿厚度方向或铺放宽度方向层间结合度均匀达到最优为目标进行工艺参数优化设计,并通过实验验证了该最优工艺能够有效提高层间结合度的均匀程度以及制品的层间剪切强度。第五,进行了无内衬氧化剂贮箱端盖纤维铺放参数设计与成型实验研究。根据无内衬复合材料氧化剂贮箱端盖纤维铺放的工艺特点,结合铺放工艺参数对层间结合度的多层作用机理模型,以各铺层的层间结合度均匀最优为目标进行参数设计,获得各个铺层的最优工艺参数组合,并使用机器人纤维铺放系统对端盖进行成型加工。通过实验制品截面显微镜检测、制品层间剪切强度实验检测以及静水压力实验,验证了无内衬氧化剂贮箱端盖纤维铺放加工方法的可行性,以及该优化方法提高端盖层间剪切强度的有效性。