用於由3d機織複合材料製成的部件的設計的製作方法

2023-06-01 16:26:06 1

用於由3d機織複合材料製成的部件的設計的製作方法
【專利摘要】一種由3D機織複合材料製成的部件的設計方法，該設計方法由計算機執行並且包括：獲得表示所述部件外表面的形狀數據(SHAPE)的步驟(F1)；針對所述外表面的點集合中的每個點(PT)，根據確定的投影方向確定所述點和所述點至目標表面上的投影之間的距離(d)的步驟(F5,F6)；以及根據所確定的距離(d)確定3D機織預成體的結構的步驟(F8)；該方法的特徵在於，它還包括步驟(F2)：根據所述部件外表面上的點的位置確定規定投影方向的投影數據(F),其中，根據所述投影(F)以及根據所述點的位置，在步驟(F5)確定距離期間，確定用於點集合的點(PT)中的至少一些點的所述投影方向。
【專利說明】用於由3D機織複合材料製成的部件的設計
【技術領域】
[0001]本發明涉及由3D機織複合材料製成的部件的領域。本發明特別涉及估計當設計這樣的部件時要給出的該部件的厚度。
【背景技術】
[0002]文檔FR2892339描述了通過使用3D機織複合材料製造複合渦輪引擎葉片。主要製造步驟如下:
[0003]製造具有與要製造的葉片的外表面相對應的內表面的模具；
[0004]然後把3D機織預成體插入該模具中；以及
[0005]最後把樹脂注入到該模具中，然後使樹脂硬化。
[0006]在前面計算機輔助設計(CAD)步驟期間，特別地，根據模具的形狀確定要插入模具中的預成體中的層數以及該預成體中的層退出的形狀。存在用於執行這樣的計算的算法。那些已知算法使用中位面(mean profile)作為輸入數據,其也稱為骨架輪廓(skeletonprofile)，表示要製造的部件的形狀，與表示部件的厚度的厚度域相關聯。基於模具的形狀，因此有必要確定部件的中位面和對應的厚度域。
[0007]為此目的，在製造由2D機織複合材料製成的部件的情況下，文檔EP2327538提出了通過將其外表面的點投影到平行於葉片根部的平面上，在垂直於由上面提及的平面和葉片的中位面之間的交點限定的曲線的方向上，確定葉片的厚度。
[0008]然而，3D機織複合材料的性能不同於成批的2D機織材料的性能，並且已經觀測到以此方式估計厚度是不適當的，並且可能導致纖維含量的改變，因而導致不是非常均勻的部件。
[0009]文檔FR2916529描述了測量部件外形的光學方法。該文檔在任何情況下也不涉及設計由3D機織複合材料製成的部件。該文檔的一段描述了確定部件的外形，但是它沒有提及3D機織預成體，也沒有提及層數或者這樣的層的退出位置。

【發明內容】

[0010]本發明提出了一種設計由3D機織複合材料製成的部件的方法，該設計方法由計算機執行並且包括:
[0011]獲得表示所述部件外表面的形狀數據的步驟；
[0012]針對所述外表面的點集合中的每個點，確定所述點和所述點至目標表面上的投影之間的距離的步驟，所述投影沿著預定投影方向；以及
[0013]根據所確定的距離確定3D機織預成體的結構的步驟；
[0014]該方法是卓越的在於它還包括步驟:根據所述部件外表面上的點的位置確定規定投影方向的投影數據，其中，根據所述投影以及根據所述點的位置，在步驟確定距離期間，確定用於點集合的點中的至少一些點的所述投影方向。
[0015]根據目標表面，所確定的距離可以對應於部件的厚度或者部件厚度的一半。通過使用由例如預定文件中的投影數據規定的投影方向，所確定的厚度可以是在模具中已經成形了預成體之後通過經紗列(warp column)實際看到的厚度。因此，預成體的所確定結構可以考慮預成體在模具中成形時經受的變形。這導致更均勻的纖維含量。
[0016]投影數據根據所述點沿著所述部件的高度軸的位置規定投影方向。在一變體中，投影數據根據所述點沿著部件的高度軸的位置並且依賴於沿著部件的寬度軸的位置，規定投影方向。
[0017]目標表面可以是部件的中位面。
[0018]在另一實施方式中，所述部件的外表面具有第一面和與所述第一面相對的第二面，所述點集合是所述第一面的點集合，而所述目標表面是所述第二面。
[0019]在另一實施方式中，對於所述點集合的點中的至少一些點，在步驟確定距離期間，使用的投影方向是垂直於所述目標表面的方向。
[0020]確定3D機織預成體的結構的步驟可以包括:
[0021]計算展開平放的目標表面的步驟；以及
[0022]根據所計算的展平表面、根據所確定的距離以及根據目標機織參數，確定層數和針對層的退出位置的步驟。
[0023]舉例來說，目標機織參數是目標纖維含量、目標經紗/緯紗比率、預定的織物、目標經紗間距、目標緯紗間距、目標對準、以及預定紡紗尺寸。
[0024]本發明還提供了一種用3D機織複合材料製造部件的方法，該方法包括:
[0025]確定使用依據本發明的設計方法的3D機制預成體的結構的步驟；以及
[0026]根據所確定的結構製造所述部件的步驟。
[0027]該製造方法可以包括:
[0028]製造所述部件的原型的步驟；以及
[0029]把所述投影數據存儲為在所述原型中觀測到的變形的函數的步驟。
[0030]本發明還提供了一種電腦程式，其包括當所述程序由計算機執行時執行依據本發明的設計方法的指令。
[0031]最後，本發明還提供了一種設計用3D機織複合材料製成的部件的設備，該設備包括:
[0032]用於獲得表示所述部件外表面的形狀數據的裝置；
[0033]距離確定裝置，其針對所述外表面的點集合中的每個點，確定所述點和所述點至目標表面上的投影之間的距離，所述投影沿著預定投影方向；以及
[0034]結構確定裝置，用於根據所確定的距離確定3D機織預成體的結構；
[0035]該設備的特徵在於，它還包括，用於根據所述部件外表面上的點的位置獲得規定投影方向的投影數據，其中，所述距離確定裝置被配置成使用根據所述投影數據以及根據所述點的位置確定的方向作為針對點集合的點中的至少一些點的投影方向。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]根據參考附圖所進行的下面描述，本發明的其它特性和優點顯現出來，其示出了具有非限制性特性的實施方式。在圖中:
[0037]圖1示出了在本發明的一實施方式中，製造由3D機織複合材料製成的部件的方法的主要步驟；
[0038]圖2示出了圖1中確定預成體的步驟的主要步驟；
[0039]圖3是葉片的投影圖，示出了點沿著依賴於高度的投影方向投影；
[0040]圖4是圖3葉片的剖面圖，示出了點沿著依賴於高度的投影方向或者沿著垂直方法投影；以及
[0041]圖5示出了使得能夠執行圖2的步驟的計算機的硬體架構。
【具體實施方式】
[0042]圖1示出了用3D機織複合材料製造部件的方法的主要步驟。在下面描述中，該部件是用於渦輪引擎的風機葉片。自然地，本發明應用於由3D機織複合材料製成的任何其它部件。
[0043]該方法起始於步驟E1，在步驟El期間，確定葉片的形狀。典型地，該部件的設計者通過使用CAD軟體來描繪葉片外表面的形狀。葉片外表面的形狀然後被存儲在稱為SHAPE的文件中。
[0044]此後，在步驟E2中，確定與步驟El的形狀相對應的3D機織預成體的結構。本領域技術人員知道適合於確定這樣的預成體的結構的方法和軟體，因此不詳細描述此步驟。在一個實施方式中，步驟E2具體包括確定該部件的中位面和對應的厚度域，以及根據中位面和根據所確定的厚度域確定預成體的層退出(layer exit)。在介紹中提及的文檔EP2327538給出了可以用作此步驟中的確定厚度域的示例。
[0045]舉例來說，層的退出的位置如下確定:
[0046]從中位面開始，執行壓平計算。由於中位面來自於該部件的3D形狀並且由於是在展平(即2D)預成體上執行機織的，因此有必要確定與該3D形狀相對應的展平形狀；
[0047]此後，把所確定的厚度域傳送至展平形狀；以及
[0048]根據該展平形狀的厚度域，根據目標纖維含量以及根據目標經紗/緯紗比率確定層數和層退出位置。纖維含量是層數、織物、經紗間隔、緯紗間隔、對準以及紡線尺寸的函數。由於選定了其它參數，所以它保持調整層數以便獲得期望的纖維含量。
[0049]然後使用如在步驟E2中確定的預成體結構，在步驟E3中製造原型葉片。典型地，步驟E3包括製作與步驟El的形狀相對應的模具，對如步驟E2中所確定的預成體進行3D機織，把該預成體插入到模具中，把樹脂注入到模具中，以及使樹脂硬化。可以使用其它製造方法。
[0050]此後，在步驟E4中，觀測步驟D3的原型葉片中機織纖維的變形。舉例來說，可以對該原型進行切削或者可以通過X射線體層照相術來觀測纖維的變形。
[0051]本發明發現，在定形期間纖維的變形隨著葉片內高度的變化而變化。因此，在原型中，通過經紗列看到的厚度對應於在源於這樣的變化的變形量的方向上所看到的厚度，並且未必等於當在步驟E2中確定預成體時已考慮的厚度。纖維含量因此不是恆定的，並且葉片因而不均勻，這是不希望的。
[0052]因此，在步驟E4中，根據所觀測的變形方向，針對葉片的不同高度選擇不同的投影方向。所選擇的投影方向存儲在文件F中。
[0053]此後，在步驟E5中，根據步驟El的形狀以及根據步驟E4中所選擇的投影方法，為3D機織複合材料確定預成體的結構。在本發明的意義上，步驟E5對應於設計部件的方法，並且下面參考圖2詳細描述。
[0054]最後，在步驟E6中，使用步驟E5中所確定的預成體結構,製造葉片(或者一系列葉片)。像步驟E3 —樣，步驟E6包括對如步驟E5中所確定的預成體進行3D機織，把該預成體插入到模具中，把樹脂注入到模具中，以及使樹脂硬化。可以使用其它製造方法。
[0055]參考圖2，下面更詳細地描述步驟E5的實施。
[0056]在步驟Fl中，獲得如上面參考步驟E2所提及的文件SHAPE。在步驟F2中，獲得如上面參考步驟E4所提及的文件F。
[0057]此後，在步驟F3中，選擇葉片表面上的點的集合，例如，在定螺距處分布的點的集
入
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[0058]在步驟F5中，確定步驟F3的點PT與該點在預定方向上到目標表面上的投影之間的距離d。
[0059]在一個實施方式中，目標表面是葉片的中位面，也稱為骨架輪廓。該中位面例如可以被限定為由內切於葉片體積中的圓的中心限定的表面，或者由在預定方向上葉片兩個相對面之間的半途的點限定。
[0060]在另一實施方式中，步驟F3的點選在葉片一個面上，例如，其壓力側，並且其目標表面是該相對面(例如其吸力側)。
[0061]在步驟F5中，在由文件F規定的投影方向上對點PT進行投影。這在圖3和4中更詳細地示出。
[0062]圖3示出了採用透視圖的葉片1，並且還示出了表面2。表面2是文件F的內容的圖形圖例。因此，表面2可以被看作平行於葉片I的高度h軸延伸的扭曲矩形條。對於每個高度k，垂直於表面2的方向3表不對應於考慮的高度的投影方向。
[0063]因此，位於高度hQ的點PT在步驟F5中沿著由表面2規定的對應投影方向3投影。
[0064]圖4是葉片I的剖視圖，示出了葉片I的中位面。位於在葉片I的壓力側上高度h0處的點PT沿著由表面2所規定的投影方向3投影到中位面4上。把點PT在此方向上的投影寫成PT』。
[0065]點PT和PT』之間的距離表示葉片I在方向3上的厚度的一半。
[0066]在一實現方式中，對步驟F3中所選擇的所有的點進行如上面所解釋的投影。
[0067]在另一實施方式中，對應於圖2中虛線示出的步驟，一些點如上面所解釋地進行投影，而其它點在垂直於目標表面的方向上進行投影(至圖4示例中的中位面4)。
[0068]因此，在此實施方式中，在步驟F3之後且在步驟F5之前，在步驟F4中確定點PT是要沿著垂直方向進行投影的類型的點還是要沿著如文件F中所規定的方向進行投影的類型的點。舉例說明，點PT的類型根據文件F中包含的數據來確定。例如,文件F不僅包含表面2的定義，而且還包含高度範圍的列表，以及針對每個範圍的點類型的說明。
[0069]取決於如步驟F4中所確定的點的類型，點PT經受如上面步驟F5中所描述的投影，或者經受步驟F6中的垂直投影。
[0070]步驟F6的垂直投影示出在圖4中。在垂直於中位面4的方向5上點PT投影到中位面4上。把點PT在此方向5上的投影寫成PT"。
[0071]點PT和PT"之間的距離d表示葉片I沿著方向5的厚度的一半。[0072]針對步驟F3中的所有的點，重複步驟F5 (或者步驟F4、F5、F6的集合)。如果在步驟F7中確定了針對步驟F3中的所有的點已經執行了步驟F5(或者步驟F4、F5、F6的集合)，則該方法移動至步驟F8。
[0073]最後，在步驟F8中，在考慮到由所確定距離d表示的厚度域時確定3D機織複合材料的預成體的結構和對應的文件SHAPE的形狀。
[0074]圖2的步驟對應於由計算機執行的設計葉片I的方法。在這樣的情形下，圖2的步驟對應於執行電腦程式。圖5示出了使得能夠執行圖2的步驟的計算機10的硬體架構。
[0075]計算機10包括處理器11、非易失性存儲器12、易失性存儲器13和用戶接口 14。處理器10在使用易失性存儲器13時用於執行儲存在非易失性存儲器12中的程序。用戶接口 14使得用戶能夠把數據輸入到計算機10中，特別是上面提及的文件SHAPE和文件F的數據。包括用於執行步驟Fl至F8的指令的電腦程式存儲在非易失性存儲器12中。
[0076]在上面描述的實施方式中，文件F根據部件表面上的點的高度h規定了投影方向。在一變體中，投影方向還可以根據部件上點的寬度位置的變化而變化。因而，採用通用術語，文件F根據點的位置規定了投影方向。
【權利要求】
1.一種設計由3D機織複合材料製成的部件(I)的方法，該設計方法由計算機(10)執行並且包括: 步驟(Fl)獲得表示所述部件(I)外表面的形狀數據(SHAPE)； 針對所述外表面的點集合中的每個點(PT)，步驟(F5，F6)確定所述點和所述點(PT』，PT")至目標表面(4)上的投影之間的距離(i)，所述投影沿著預定投影方向(3，5)；以及 步驟(F8)根據所確定的距離(d)確定3D機織預成體的結構； 該方法的特徵在於，它還包括步驟(F2)根據所述部件(I)外表面上的點的位置確定規定投影方向的投影數據(F)，其中，根據所述投影(F)以及根據所述點的位置，在步驟(F5)確定距離期間，確定用於點集合的點(PT)中的至少一些點的所述投影方向(3)。
2.依據權利要求1所述的設計方法，其中，所述投影數據(F)根據所述點沿著所述部件的高度軸(k)的位置規定投影方向。
3.依據權利要求1所述的設計方法，其中，所述投影數據(F)根據所述點沿著所述部件的高度軸(k)的位置並且依賴於沿著所述部件的寬度軸的位置，規定投影方向。
4.依據權利要求1至3中任一項所述的設計方法，其中，所述目標表面(4)是所述部件的中位面。
5.依據權利要求1至3中任一項所述的設計方法，其中，所述部件的外表面具有第一面和與所述第一面相對的 第二面，所述點集合是所述第一面的點集合，而所述目標表面是所述第二面。
6.依據權利要求1至5中任一項所述的設計方法，其中，對於所述點集合的點(PT)中的至少一些點，在步驟(F6)確定距離期間，使用的投影方向(5)是垂直於所述目標表面(4)的方向。
7.依據權利要求1至6中任一項所述的設計方法，其中，所述步驟(F8)確定3D機織預成體的結構包括: 計算展開平放的目標表面的步驟； 根據所計算的展平表面、根據所確定的距離(d)以及根據目標機織參數確定層數和針對層的退出位置的步驟。
8.—種用3D機織複合材料製造部件的方法，該方法包括: 確定使用依據權利要求1至7中任一項所述的設計方法的3D機制預成體的結構的步驟(E5);以及 根據所確定的結構製造所述部件的步驟(E6)。
9.依據權利要求8所述的製造方法，其中所述步驟(E6)根據所確定的結構製造所述部件包括: 根據所確定的結構機織預成體的步驟； 把所述預成體插入到模具中的步驟；以及 將樹脂注入到所述模具中的步驟。
10.依據權利要求8或者權利要求9所述的製造方法，該方法包括: 製造所述部件(I)的原型的步驟(E3);以及 把所述投影數據存儲為在所述原型中觀測到的變形的函數的步驟(E4)。
11.一種電腦程式，其包括當所述程序由計算機執行時執行依據權利要求1至7中任一項所述的設計方法的指令。
12.一種用於設計用3D機織複合材料製成的部件(I)的設備(10)，該設備包括: 用於獲得表示所述部件(I)外表面的形狀數據(SHAPE)的裝置(14)； 距離確定裝置(11，12，13)，用於針對所述外表面的點集合中的每個點(PT)，確定所述點和所述點(PT』，PT")至目標表面(4)上的投影之間的距離(出，所述投影沿著預定投影方向(3，5);以及 結構確定裝置(11，12，13)，用於根據所確定的距離(d)確定3D機織預成體的結構； 該設備的特徵在於，它還包括下列裝置(14)，用於根據所述部件(I)外表面上的點的位置獲得規定投影方向的投影數據(F)，其中，所述距離確定裝置(11，12，13)被配置成使用根據所述投影數據(F)以及根據所述點的位置確定的方向作為針對點集合的點(PT)中的至少一些點的投影方向(3)。
【文檔編號】G01B11/24GK103930750SQ201280056048
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年11月12日 優先權日:2011年11月15日
【發明者】雅恩·馬爾查爾, 吉恩-諾爾·瑪賀 申請人:斯奈克瑪