鋪放軌跡設計是控制自動鋪絲工藝質量的關鍵,為進一步提高復雜類回轉體復合材料構件軌跡鋪放質量,提出以類回轉構件的形心曲線為基準參考線,綜合考慮角度偏差、軌跡間距及軌跡測地曲率的多目標軌跡規(guī)劃算法。根據絲束寬度、絲束數量等工藝參數生成滿足工藝要求的基準軌跡,通過對基準軌跡偏移生成偏移軌跡并對其進行局部調整和全局優(yōu)化,設計其他軌跡。最后以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺,利用CATIA Automation技術開發(fā)了復雜類回轉體鋪放軟件,并在復雜類回轉體曲面上進行了驗證,結果證明了該算法的有效性。 

【文章來源】：復合材料科學與工程. 2020年06期 第30-34頁 北大核心

【文章頁數】：5 頁

【部分圖文】：

切片環(huán)

復合材料因其優(yōu)良的綜合性能和減重優(yōu)勢被廣泛地應用在航空航天等軍事領域中,支撐復合材料大量使用的自動鋪絲技術功不可沒[1-3]。自動鋪絲技術作為目前復合材料自動化成型的主要技術之一,因其克服了自動鋪帶和纖維纏繞技術的缺點,特別適合大型復雜復合材料構件的鋪放,如機身、翼身融合體、S進氣道等[4,5]。如圖1所示,自動鋪絲基本原理是鋪絲頭沿著預先規(guī)劃的鋪放路徑將由多根預浸絲束匯集而成且寬度可變的預浸帶經加熱系統加熱和壓輥壓實鋪放在模具表面,鋪放路徑規(guī)劃合理與否直接影響最終制件的質量。軌跡規(guī)劃技術是自動鋪絲的關鍵技術之一,國外學者早在20世紀90年代就已對其展開了研究,目前已推出了商用的自動鋪絲軟件系統,如美國CGTech公司推出的VERICUT Composite Programming and Simulation,分為編程模塊和模擬模塊;法國Coriolis公司開發(fā)的CADFiber軟件系統;美國Cincinnati公司開發(fā)的ACES編程系統等。國外軟件均具有軌跡設計及優(yōu)化、后置處理、鋪放過程仿真和控制代碼生成等功能,經過多年發(fā)展已經非常成熟且已廣泛應用在航空航天復材件的制造中。由于國內自動鋪絲技術起步較晚,目前尚未形成商用的自動鋪絲CAD/CAM軟件,以南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、武漢理工大學、西安交通大學等高校為代表的實驗室對軌跡規(guī)劃技術進行了大量研究和積極探索[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軌跡規(guī)劃算法。這些算法對于簡單曲面具有較好的效果,然而對復雜類回轉體不具有適用性。其中部分算法著重保證每條基準軌跡的角度精度,如固定角法;另一部分算法則主要保證每條基準軌跡間的距離,如平行等距法。更重要的是,上述算法均未考慮軌跡的曲率問題,即鋪放軌跡的測地曲率半徑小于由預浸料帶寬計算得到鋪放軌跡允許的最大測地曲率半徑。對于凸曲面表現為絲束滑移,見圖2(a),絲束滑移與預浸絲束偏離鋪層設計方向導致搭接、縫隙等缺陷,極大地降低了制件的力學性能。而凹曲面則為架橋,見圖2(b),由絲束架橋產生的孔隙嚴重影響制件的最終性能。

軌跡規(guī)劃技術是自動鋪絲的關鍵技術之一,國外學者早在20世紀90年代就已對其展開了研究,目前已推出了商用的自動鋪絲軟件系統,如美國CGTech公司推出的VERICUT Composite Programming and Simulation,分為編程模塊和模擬模塊;法國Coriolis公司開發(fā)的CADFiber軟件系統;美國Cincinnati公司開發(fā)的ACES編程系統等。國外軟件均具有軌跡設計及優(yōu)化、后置處理、鋪放過程仿真和控制代碼生成等功能,經過多年發(fā)展已經非常成熟且已廣泛應用在航空航天復材件的制造中。由于國內自動鋪絲技術起步較晚,目前尚未形成商用的自動鋪絲CAD/CAM軟件,以南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、武漢理工大學、西安交通大學等高校為代表的實驗室對軌跡規(guī)劃技術進行了大量研究和積極探索[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軌跡規(guī)劃算法。這些算法對于簡單曲面具有較好的效果,然而對復雜類回轉體不具有適用性。其中部分算法著重保證每條基準軌跡的角度精度,如固定角法;另一部分算法則主要保證每條基準軌跡間的距離,如平行等距法。更重要的是,上述算法均未考慮軌跡的曲率問題,即鋪放軌跡的測地曲率半徑小于由預浸料帶寬計算得到鋪放軌跡允許的最大測地曲率半徑。對于凸曲面表現為絲束滑移,見圖2(a),絲束滑移與預浸絲束偏離鋪層設計方向導致搭接、縫隙等缺陷,極大地降低了制件的力學性能。而凹曲面則為架橋,見圖2(b),由絲束架橋產生的孔隙嚴重影響制件的最終性能。針對上述問題,本文提出了綜合考慮鋪放角度、軌跡間距及軌跡曲率的軌跡規(guī)劃算法,在保證軌跡曲率的前提下,同時使軌跡角度和絲束間距滿足要求,以進一步提高鋪放質量。

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]復雜曲面自動鋪絲軌跡規(guī)劃算法設計[J]. 孟書云,趙東標,陸永華.  中國機械工程. 2016(05)
[4]基于變角度算法的復合材料翼梁自動鋪絲[J]. 方宜武,王顯峰,肖軍,馬丁,黃威.  航空制造技術. 2014(16)
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[6]網格化曲面的固定角度鋪絲軌跡規(guī)劃算法[J]. 李俊斐,王顯峰,肖軍,熊文磊.  計算機輔助設計與圖形學學報. 2013(09)
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[8]基于網格化曲面的自適應自動鋪放軌跡算法[J]. 熊文磊,肖軍,王顯峰,李俊斐,黃志軍.  航空學報. 2013(02)
[9]樹脂基復合材料自動鋪放技術進展[J]. 肖軍,李勇,文立偉,齊俊偉,王顯峰.  中國材料進展. 2009(06)
[10]自動鋪放技術在大型飛機復合材料結構件制造中的應用[J]. 肖軍,李勇,李建龍.  航空制造技術. 2008(01)



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