一種複合材料鋪層展開方法
2023-12-10 21:47:52
專利名稱：一種複合材料鋪層展開方法
技術領域：
本發明涉及一種用於編織複合材料數位化鋪層展開方法，用於複合材料數位化製造領域，根據複合材料零件三維曲面得到二維展開毛坯。
背景技術：
複合材料複雜曲面展開方法是複合材料數位化設計、製造的關鍵環節，通過對複雜曲面的展開能得到複合材料鋪層的精確毛坯形狀，能夠分析複合材料鋪層設計的可行 性，並能直接用於數控下料，實現複合材料的設計、製造數位化。傳統的複合材料鋪貼下料時簡單零件可按尺寸大小裁剪，複雜形狀需先製作下料樣板，按樣板裁剪單向帶或織物，然後手工鋪覆到模具上，再裁掉多餘料，經驗性強，存在尺寸精度差、效率低、生產面積大、材料利用率低等缺點，已經不符合現代飛機數位化設計製造的特點。 國外有關複合材料的研究比較早，並且已經有一些先進的技術投入使用，帶來了可觀的經濟效益，而國內有關研究起步較晚，還存在一定的差距。
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種複合材料鋪層展開方法，該方法能夠根據零件的三維曲面形狀快速準確得到複合材料織物鋪層成形時候的下料毛坯。技術方案一種複合材料鋪層展開方法，其特徵在於步驟如下步驟I :採用通用的CAD軟體建立零件的三維模型，對將要鋪設的零件表面，採用通用的有限元前處理系統將曲面劃分為離散的三角形網格；根據三角網格的拓撲關係，由三角形的三個點得到三角形的三條邊，以及每一條邊的頂點；然後去除冗餘邊，就得到網格曲面的邊的集合，對每一條邊兩側的三角形給予編號；當一條邊只有一側有三角形時，則該邊的頂點為網格邊界上的節點；步驟2 :計算三角形網格內部、除邊界之外的每一個節點處的離散高斯曲率以及每個三角形上的法向量；三角網格上網格節點的離散高斯曲率ke按下式計算得到
權利要求
1.一種複合材料鋪層展開方法，其特徵在於步驟如下 步驟I :採用通用的CAD軟體建立零件的三維模型，對將要鋪設的零件表面，採用通用的有限元前處理系統將曲面劃分為離散的三角形網格；根據三角網格的拓撲關係，由三角形的三個點得到三角形的三條邊，以及每一條邊的頂點；然後去除冗餘邊，就得到網格曲面的邊的集合，對每一條邊兩側的三角形給予編號；當一條邊只有一側有三角形時，則該邊的頂點為網格邊界上的節點； 步驟2 :計算三角形網格內部、除邊界之外的每一個節點處的離散高斯曲率以及每個三角形上的法向量；三角網格上網格節點的離散高斯曲率ke按下式計算得到 J· 其中Θ ^是網格上過P點的兩條邊@^的夾角，Ep Ep1分別是邊$ 的中點，;是P點的鄰域的面積，Aj為四邊形PE^Ep1的面積；當Θ j為銳角時，為三角形PPjPw的外心，當Θ j為直角或鈍角時，Qj為的中點； 步驟3 :找出三角網格上離散高斯曲率絕對值最大的的網格節點Ptl，以Ptl點作為鋪放起點，以經線纖維束的方向作為鋪設掃描方向L以纖維織物上兩條相鄰纖維束之間的距離Cl1為基線上節點掃描步長； 步驟4 :以掃描方向;和鋪設起點處的法向量;;的叉積^作為法向量，過Ptl點做平面S1 ；從起點處開始的平面剪切一個包含起點的三角形，得到平面S1與該三角形邊的一個交點Q1，由第一步得到的邊與三角形關係找到相鄰的將要被剪切的三角形，並得到其與平面S1的交點Q2，一直向前搜索直到網格邊界，得到一條折線LJQ1, Q2,……};以折線L1作為第一條基線，以g和鋪設起點處的法向量A的叉積 作為法向量，過Ptl點得到平面S2,以平面S2與網格曲面的交線作為基線L2{Q' i，Q' 2，……}，兩條基線將三角形網格曲面劃分為四個區域； 步驟5 :從點Ptl開始，在折線L1, L2上，以步長d向前掃描，得到基線節點序列，得到網格曲面劃分的四個區域中，起始的緯線纖維節點序列N^a = O…m)和經線纖維節點序列N0；J(j = O…η)； 步驟6 :在每一塊區域上，循環調用對角節點鋪設算法，如圖6，當要鋪設節點Nu時，能夠找到已鋪設在曲面上的節點Ni^1, Nh,」，Ni^1並計算得到 Ar- - + Ν— = —^ ，n = -K,-ι 』v = N id-Ν—ι丨，I - I! N-_Nh』 J-11 然後過Nmid點，以;;為法向量，確定一個截切平面S，以該平面與曲面相交得到一條曲線；在曲線上沿 方向找到一個距Nmid點距離為I的、所要求的纖維節點Ni,」，用該方法鋪設每一條經線纖維TiQ = 1···ηι)上的節點序列\j(i = 1···πι, j = I…IV1),其中Iv1為上一條經線纖維束IV1上的節點數； 當鋪設每一條經線纖維時遇到邊界時，則停止並開始鋪設下一條經線纖維；當採用對角節點鋪設結束還未到邊界時進行，則轉到步驟7 ;經線纖維Tm鋪設完成後檢查是否有空留取區，若無則結束鋪設，若有則轉到步驟7 ;當四個區域均鋪設完成，結束鋪設過程；步驟7 :採用擴展節點鋪設方法鋪設到邊界再開始進行下一條經線的鋪設，當Ni, J1缺失時v = Ni-i'j ~ 'n =vxu i為曲面在NiU處的法向量；過點，以;;為法向量，確定一個截切平面S'，該平面與曲面相交得到一條曲線，在曲線上沿I；方向向前掃描，找到一個距Nuj點距離為纖維編織布上相鄰緯紗之間距離Cl1的、所求的纖維節點Ni,」；當Np1,」缺失的時候， v = Nij-i-Ni,j-2，/ = V，XW 為曲面在Ni^處的法向量。過Ni^點，以；;為法向量，確定一個截切平面S"，該平面與曲面相交得到一條曲線，在曲線上沿 方向向前掃描，找到一個距Ni,η點距離為纖維編織布上相鄰經紗之間距離d2的點，該點就是所求的纖維節點Niij ； 步驟8 :根據每一個纖維節點Niij所在的區域以及其相應的經線纖維束和緯線纖維束編號i，j，得到其在平面上的坐標N' u ;鋪設起始點N"為展開二維平面的原點，區域A對應展開平面的第一象限，Ni;j映射到平面上的坐標為N' u (Wd1, j*d2，O);區域B對應展開平面的第二象限，Ni；J映射到平面上的坐標為N' i；J (-I^d1, J'*d2, O);區域C對應展開平面的第三象限，映射到平面上的坐標為K_j*d2，O);區域D對應展開平面的第四象限，映射到平面上的坐標為N' u (Wdp-^d2, O)。連接相應的節點N' u，則得到未變形的經線纖維及緯線纖維，從而得到複雜曲面的展開毛坯。
全文摘要
本發明涉及一種複合材料鋪層展開方法，技術特徵在於採用車比雪夫網模型(Tchebychev Net)及彈簧模型相結合的方法，實現了複合材料複雜曲面的快速準確展開，模擬結果比傳統的幾何展開方法更準確；節點掃描時採用局部搜索算法，時間複雜度降低為常數；採用擴展節點鋪設方法，消除了雙基線方法產生的鋪設空留區。
文檔編號G06F17/50GK102867082SQ20121031228
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者吳建軍, 鄧良才, 張深 申請人:西北工業大學