基于复杂类回转体90°纤维轨迹规划算法研究
发布时间：2020-12-11 22:34
铺放轨迹设计是控制自动铺丝工艺质量的关键,为进一步提高复杂类回转体复合材料构件轨迹铺放质量,提出以类回转构件的形心曲线为基准参考线,综合考虑角度偏差、轨迹间距及轨迹测地曲率的多目标轨迹规划算法。根据丝束宽度、丝束数量等工艺参数生成满足工艺要求的基准轨迹,通过对基准轨迹偏移生成偏移轨迹并对其进行局部调整和全局优化,设计其他轨迹。最后以Visual Studio 2010为开发平台,利用CATIA Automation技术开发了复杂类回转体铺放软件,并在复杂类回转体曲面上进行了验证,结果证明了该算法的有效性。
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020年06期 第30-34页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
切片环
复合材料因其优良的综合性能和减重优势被广泛地应用在航空航天等军事领域中,支撑复合材料大量使用的自动铺丝技术功不可没[1-3]。自动铺丝技术作为目前复合材料自动化成型的主要技术之一,因其克服了自动铺带和纤维缠绕技术的缺点,特别适合大型复杂复合材料构件的铺放,如机身、翼身融合体、S进气道等[4,5]。如图1所示,自动铺丝基本原理是铺丝头沿着预先规划的铺放路径将由多根预浸丝束汇集而成且宽度可变的预浸带经加热系统加热和压辊压实铺放在模具表面,铺放路径规划合理与否直接影响最终制件的质量。轨迹规划技术是自动铺丝的关键技术之一,国外学者早在20世纪90年代就已对其展开了研究,目前已推出了商用的自动铺丝软件系统,如美国CGTech公司推出的VERICUT Composite Programming and Simulation,分为编程模块和模拟模块;法国Coriolis公司开发的CADFiber软件系统;美国Cincinnati公司开发的ACES编程系统等。国外软件均具有轨迹设计及优化、后置处理、铺放过程仿真和控制代码生成等功能,经过多年发展已经非常成熟且已广泛应用在航空航天复材件的制造中。由于国内自动铺丝技术起步较晚,目前尚未形成商用的自动铺丝CAD/CAM软件,以南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西安交通大学等高校为代表的实验室对轨迹规划技术进行了大量研究和积极探索[6-12],提出了固定角度法、等距螺旋法、投影法、平行等距法等一系列轨迹规划算法。这些算法对于简单曲面具有较好的效果,然而对复杂类回转体不具有适用性。其中部分算法着重保证每条基准轨迹的角度精度,如固定角法;另一部分算法则主要保证每条基准轨迹间的距离,如平行等距法。更重要的是,上述算法均未考虑轨迹的曲率问题,即铺放轨迹的测地曲率半径小于由预浸料带宽计算得到铺放轨迹允许的最大测地曲率半径。对于凸曲面表现为丝束滑移,见图2(a),丝束滑移与预浸丝束偏离铺层设计方向导致搭接、缝隙等缺陷,极大地降低了制件的力学性能。而凹曲面则为架桥,见图2(b),由丝束架桥产生的孔隙严重影响制件的最终性能。
轨迹规划技术是自动铺丝的关键技术之一,国外学者早在20世纪90年代就已对其展开了研究,目前已推出了商用的自动铺丝软件系统,如美国CGTech公司推出的VERICUT Composite Programming and Simulation,分为编程模块和模拟模块;法国Coriolis公司开发的CADFiber软件系统;美国Cincinnati公司开发的ACES编程系统等。国外软件均具有轨迹设计及优化、后置处理、铺放过程仿真和控制代码生成等功能,经过多年发展已经非常成熟且已广泛应用在航空航天复材件的制造中。由于国内自动铺丝技术起步较晚,目前尚未形成商用的自动铺丝CAD/CAM软件,以南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西安交通大学等高校为代表的实验室对轨迹规划技术进行了大量研究和积极探索[6-12],提出了固定角度法、等距螺旋法、投影法、平行等距法等一系列轨迹规划算法。这些算法对于简单曲面具有较好的效果,然而对复杂类回转体不具有适用性。其中部分算法着重保证每条基准轨迹的角度精度,如固定角法;另一部分算法则主要保证每条基准轨迹间的距离,如平行等距法。更重要的是,上述算法均未考虑轨迹的曲率问题,即铺放轨迹的测地曲率半径小于由预浸料带宽计算得到铺放轨迹允许的最大测地曲率半径。对于凸曲面表现为丝束滑移,见图2(a),丝束滑移与预浸丝束偏离铺层设计方向导致搭接、缝隙等缺陷,极大地降低了制件的力学性能。而凹曲面则为架桥,见图2(b),由丝束架桥产生的孔隙严重影响制件的最终性能。针对上述问题,本文提出了综合考虑铺放角度、轨迹间距及轨迹曲率的轨迹规划算法,在保证轨迹曲率的前提下,同时使轨迹角度和丝束间距满足要求,以进一步提高铺放质量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]先进复合材料自动铺丝技术研究进展[J]. 张小辉,朱玉祥,张少秋,陈波,支勉,段玉岗. 航空制造技术. 2018(07)
[2]圆锥面等测地曲率曲线的轨迹规划方法[J]. 刘永佼,王显峰,肖军. 航空学报. 2017(07)
[3]复杂曲面自动铺丝轨迹规划算法设计[J]. 孟书云,赵东标,陆永华. 中国机械工程. 2016(05)
[4]基于变角度算法的复合材料翼梁自动铺丝[J]. 方宜武,王显峰,肖军,马丁,黄威. 航空制造技术. 2014(16)
[5]基于遍历法的开放曲面铺丝轨迹规划[J]. 胡斌,徐东亮. 玻璃钢/复合材料. 2014(06)
[6]网格化曲面的固定角度铺丝轨迹规划算法[J]. 李俊斐,王显峰,肖军,熊文磊. 计算机辅助设计与图形学学报. 2013(09)
[7]热塑性复合材料纤维铺放工艺的研究进展[J]. 韩振宇,李玥华,富宏亚,邵忠喜. 材料工程. 2012(02)
[8]基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法[J]. 熊文磊,肖军,王显峰,李俊斐,黄志军. 航空学报. 2013(02)
[9]树脂基复合材料自动铺放技术进展[J]. 肖军,李勇,文立伟,齐俊伟,王显峰. 中国材料进展. 2009(06)
[10]自动铺放技术在大型飞机复合材料结构件制造中的应用[J]. 肖军,李勇,李建龙. 航空制造技术. 2008(01)
本文编号：2911335
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020年06期 第30-34页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
切片环
复合材料因其优良的综合性能和减重优势被广泛地应用在航空航天等军事领域中,支撑复合材料大量使用的自动铺丝技术功不可没[1-3]。自动铺丝技术作为目前复合材料自动化成型的主要技术之一,因其克服了自动铺带和纤维缠绕技术的缺点,特别适合大型复杂复合材料构件的铺放,如机身、翼身融合体、S进气道等[4,5]。如图1所示,自动铺丝基本原理是铺丝头沿着预先规划的铺放路径将由多根预浸丝束汇集而成且宽度可变的预浸带经加热系统加热和压辊压实铺放在模具表面,铺放路径规划合理与否直接影响最终制件的质量。轨迹规划技术是自动铺丝的关键技术之一,国外学者早在20世纪90年代就已对其展开了研究,目前已推出了商用的自动铺丝软件系统,如美国CGTech公司推出的VERICUT Composite Programming and Simulation,分为编程模块和模拟模块;法国Coriolis公司开发的CADFiber软件系统;美国Cincinnati公司开发的ACES编程系统等。国外软件均具有轨迹设计及优化、后置处理、铺放过程仿真和控制代码生成等功能,经过多年发展已经非常成熟且已广泛应用在航空航天复材件的制造中。由于国内自动铺丝技术起步较晚,目前尚未形成商用的自动铺丝CAD/CAM软件,以南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西安交通大学等高校为代表的实验室对轨迹规划技术进行了大量研究和积极探索[6-12],提出了固定角度法、等距螺旋法、投影法、平行等距法等一系列轨迹规划算法。这些算法对于简单曲面具有较好的效果,然而对复杂类回转体不具有适用性。其中部分算法着重保证每条基准轨迹的角度精度,如固定角法;另一部分算法则主要保证每条基准轨迹间的距离,如平行等距法。更重要的是,上述算法均未考虑轨迹的曲率问题,即铺放轨迹的测地曲率半径小于由预浸料带宽计算得到铺放轨迹允许的最大测地曲率半径。对于凸曲面表现为丝束滑移,见图2(a),丝束滑移与预浸丝束偏离铺层设计方向导致搭接、缝隙等缺陷,极大地降低了制件的力学性能。而凹曲面则为架桥,见图2(b),由丝束架桥产生的孔隙严重影响制件的最终性能。
轨迹规划技术是自动铺丝的关键技术之一,国外学者早在20世纪90年代就已对其展开了研究,目前已推出了商用的自动铺丝软件系统,如美国CGTech公司推出的VERICUT Composite Programming and Simulation,分为编程模块和模拟模块;法国Coriolis公司开发的CADFiber软件系统;美国Cincinnati公司开发的ACES编程系统等。国外软件均具有轨迹设计及优化、后置处理、铺放过程仿真和控制代码生成等功能,经过多年发展已经非常成熟且已广泛应用在航空航天复材件的制造中。由于国内自动铺丝技术起步较晚,目前尚未形成商用的自动铺丝CAD/CAM软件,以南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西安交通大学等高校为代表的实验室对轨迹规划技术进行了大量研究和积极探索[6-12],提出了固定角度法、等距螺旋法、投影法、平行等距法等一系列轨迹规划算法。这些算法对于简单曲面具有较好的效果,然而对复杂类回转体不具有适用性。其中部分算法着重保证每条基准轨迹的角度精度,如固定角法;另一部分算法则主要保证每条基准轨迹间的距离,如平行等距法。更重要的是,上述算法均未考虑轨迹的曲率问题,即铺放轨迹的测地曲率半径小于由预浸料带宽计算得到铺放轨迹允许的最大测地曲率半径。对于凸曲面表现为丝束滑移,见图2(a),丝束滑移与预浸丝束偏离铺层设计方向导致搭接、缝隙等缺陷,极大地降低了制件的力学性能。而凹曲面则为架桥,见图2(b),由丝束架桥产生的孔隙严重影响制件的最终性能。针对上述问题,本文提出了综合考虑铺放角度、轨迹间距及轨迹曲率的轨迹规划算法,在保证轨迹曲率的前提下,同时使轨迹角度和丝束间距满足要求,以进一步提高铺放质量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]先进复合材料自动铺丝技术研究进展[J]. 张小辉,朱玉祥,张少秋,陈波,支勉,段玉岗. 航空制造技术. 2018(07)
[2]圆锥面等测地曲率曲线的轨迹规划方法[J]. 刘永佼,王显峰,肖军. 航空学报. 2017(07)
[3]复杂曲面自动铺丝轨迹规划算法设计[J]. 孟书云,赵东标,陆永华. 中国机械工程. 2016(05)
[4]基于变角度算法的复合材料翼梁自动铺丝[J]. 方宜武,王显峰,肖军,马丁,黄威. 航空制造技术. 2014(16)
[5]基于遍历法的开放曲面铺丝轨迹规划[J]. 胡斌,徐东亮. 玻璃钢/复合材料. 2014(06)
[6]网格化曲面的固定角度铺丝轨迹规划算法[J]. 李俊斐,王显峰,肖军,熊文磊. 计算机辅助设计与图形学学报. 2013(09)
[7]热塑性复合材料纤维铺放工艺的研究进展[J]. 韩振宇,李玥华,富宏亚,邵忠喜. 材料工程. 2012(02)
[8]基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法[J]. 熊文磊,肖军,王显峰,李俊斐,黄志军. 航空学报. 2013(02)
[9]树脂基复合材料自动铺放技术进展[J]. 肖军,李勇,文立伟,齐俊伟,王显峰. 中国材料进展. 2009(06)
[10]自动铺放技术在大型飞机复合材料结构件制造中的应用[J]. 肖军,李勇,李建龙. 航空制造技术. 2008(01)
本文编号：2911335
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