自由曲面构件的纤维铺放路径规划
3_自由曲面_1
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Swept 扫掠
Swept特征使用轮廓曲线沿空间路径扫掠而成，其中扫掠路径称为引导线(Guide Curves)，轮廓曲线称为截面线(Section Curves)。 引导线方位决定U方向。 截面线方位决定V方向。
CurveMesh_selection.prt
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CurveMesh_continuity.prt
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截面线(Section Curves)
与引导线相同，截面线可以由单段或多段曲线组成。 组成每条截面线的所有曲线段之间不一定是相切连续，但必须是C0连续。 截面线的数量是1～150。
引导线和截面线的一般规律：
截面线和引导线不一定是平面曲线； 截面线和引导线可以是任意类型的曲线，但不可以使用点； 截面线不一定要求与引导线相连接，但最好相连；
Parameter(等参)
Arc Length(等弧长)
By Points(根据点)可删除/添加等参线
Distance(距离) 需定义一根轴 U/V线和轴法线方向一致
Spine Curve(脊线) 需定义一根脊线 U/V线和脊线法线方向一致
Angle(角度) 需定义一根轴及原点 U/V线均经过选定的原点
Through Curve Mesh 过曲线网格
基于STEP的回转叶片体的曲面路径规划算法研究
第20期2023年10月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.20October,2023作者简介:王亚芳(1990 ),女,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生;研究方向:图形图像处理㊂基于STEP 的回转叶片体的曲面路径规划算法研究王亚芳,叶㊀飞,胡㊀哲(延安大学西安创新学院,陕西西安710100)摘要:近年来,随着五轴加工技术的发展,对数控软件路径生成功能提出了更高的要求,尤其是对自由曲面加工的刀具路径规划方面㊂文章基于STEP 格式的回转叶片模型,利用Ultimate Eyeshot 实现回转体的目标特征信息提取并进行曲面路径规划㊂本算法研究为回转叶片模型的增材制造提供了新方法,对自由曲面加工具有借鉴意义㊂关键词:STEP 模型;回转叶片;曲面路径规划中图分类号:TG659㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言㊀㊀回转叶片(Rotating Blade)是一种可绕自身轴线回转的叶片,多被装配到诸如燃气涡轮㊁蒸汽涡轮㊁喷气发动机以及相类似物的涡轮部件,或燃气涡轮和喷气发动机的空气压缩机的回转机械上,并以整体方式与主轴一起旋转[1]㊂这类零件表面形状复杂,已经不能通过传统的参数曲面进行表示了,取而代之的是复杂的自由曲面㊂自由曲面具有外观精美㊁自由度高㊁动力学性能优良等优点,在汽车㊁航空㊁造船㊁能源等领域得到了广泛的应用㊂经过将近几十年的发展,自由曲面的造型技术已经比较成熟,而传统三轴数控机床对复杂自由曲面的加工却表现出了诸多弊病,迫切需要发展新的理论和方法㊂五轴联动数控加工技术应运而生,成为解决这类复杂曲面加工问题的重要手段㊂近年来,随着五轴加工技术的发展,对数控软件路径生成功能提出了更高的要求,尤其是对自由曲面加工的刀具路径规划方面[2]㊂路径的规划需要先完成对曲面信息的提取与处理,再制定合理的加工策略来生成符合加工要求的刀具路径信息㊂本文针对基于STEP 文件格式的回转叶片模型,利用Ultimate Eyeshot 库分析㊁提取特征信息,并对单叶片或多叶片加工曲面进行zigzag 路径规划㊂1㊀STEP 标准㊀㊀STEP(Standard for the Exchange of Product ModelData)是一个关于产品数据计算机可理解的表示和交换的国际标准㊂这里的产品数据包括几何㊁拓扑㊁公差㊁关系㊁属性和特征等整个产品生命周期中所包含的全部产品信息[3]㊂现有应用比较广泛的三维CAD软件,如UG㊁Solid works㊁Pro /E 等采用基于STEP 标准的方法,通过对STEP 中性文件中数据模型的特征信息提取,自动规划零件的制造工艺路径㊂本文通过研究㊁分析回转体类叶片的形状特征及工艺特点,按照STEP 规范进行合理的抽象㊁分类,为后期曲面路径规划及数控加工提供有力的支撑㊂2㊀Ultimate Eyeshot㊀㊀Ultimate Eyeshot 是基于.NET Framework 的CAD控件㊂它包括4个不同的Visual Studio 工具箱项目:用于2D 和3D 几何创建的 设计 ㊁用于自动2D 正交视图生成的 绘图 ㊁用于使用线性静态分析进行几何验证的 模拟 和用于CNC 的 制造 刀具路径生成和仿真㊂除此之外,该产品还可以使用CAD 交换文件格式导入和导出几何模型,如IGES㊁STEP㊂但该控件的版本需要与Visual Studio 版本进行匹配,否则无法正常使用,本文实验使用的版本是Eyeshot 11.0和Visual Studio 2017㊂3㊀回转体目标特征信息提取3.1㊀导入STEP 模型㊀㊀本研究利用Ultimate Eyeshot 库ReadSTEP 函数导入基于STEP 的回转体类叶片模型,检查其合法性并将数据存储㊂存储的数据模型不是一个整体,而是多个独立的曲面㊂STEP 模型导入如图1所示㊂3.2㊀设置回转轴㊀㊀根据导入的STEP 模型,需要设置回转轴x /y /z ,回转轴选择与回转体曲面的偏置方向垂直的轴㊂图图1㊀利用Eyeshot导入STEP模型1中STEP模型的回转轴设置为x轴㊂3.3㊀生成回转基面㊀㊀一般回转体零件的表面由诸多基本曲面构成,选择其中一个曲面即可,但要确保其沿回转轴方向延伸㊀㊀后生成的回转曲面能够覆盖所有加工区域㊂依据选取的基本曲面,利用Ultimate Eyeshot库提供的函数直接提取uv控制点㊂同时,分辨u/v作用方向,此方向决定基本回转基面的延伸方向㊂原来的uv控制起点和终点分别沿u/v作用方向延伸一定距离,最终整合成一条完整的NURBS曲线㊂最后,对NURBS曲线进行投影生成最终的回转基面[4]㊂3.4㊀选择加工叶片㊀㊀根据加工需求可以选择一个或多个叶片㊂叶片的表面同样是由多个基本曲面构面的㊂在选取时,务必保证叶片的基本曲面与回转曲面能够构形成闭合的区域,否则在进行曲面路径规划时无法判定有效地加工区域㊂图2分别列出了错误和正确的选取叶片基本曲面㊂图2㊀加工叶片的选取4㊀曲面路径规划㊀㊀提取回转体目标特征后,需要设置光斑直径㊁层高㊁搭接率㊁法向偏置㊁填充路径方向角㊁包围路径起始角及路径填充类型等参数㊂从上一步生成的回转基面开始,沿叶片加工方向进行偏置,求偏置曲面与叶片的交线,判断交线是否能够形成闭合的加工区域㊂根据层高参数设置每层叶片会产生一个甚至多个加工区域,直至偏置曲面与叶片无交线或者无法形成闭合的加工区域则结束循环[5]㊂图3为单叶片多层加工区域,其中层高设置为5mm,共需要加工5层,第1㊁2㊁3㊁5层只产生一个闭合的加工区域,而第4层产生2个闭合的加工区域㊂对每层闭合的加工区域进行处理,利用等步长插补获取加工区域轮廓插补点[6-7]㊂对于加工区域轮廓点的获取,需计算加工区域曲线的边界点,因为加工区域曲线在数据存储时不是一条完整的曲线,而是由多条曲线构成的闭合曲线㊂因此需要对边界的起点和终点进行特殊处理,最终获得加工区域的uv边界点㊂在此基础上,采用等步长插补获取每条加工曲图3㊀单叶片多层加工区域线的插补点,如图4所示㊂利用加工区域轮廓曲线,沿着u或v方向进行切片,计算每一截线的u㊁v范围,并对每一截线进行点离散㊂在离散过程中采用增加离散点密度的方式改善锯齿等距的形态㊂为了后续快速判断,减少往复计算,先将所有加工区域内部路径点存储,再依据光斑直径等参数设置对内部的路径点进行侵蚀,去掉不需要的点,最后可得到单向路径规划点㊂若针对zigzag 填充类型需要增加之字路径规划点[8]㊂图4㊀单叶片多层加工区域轮廓点生成CLS文件㊂CLS文件是由UG生成并可以被多种软件使用的刀具轨迹文件㊂CLS文件记录了刀具位置和其他相关信息,如刀具路径名称㊁刀具名称㊁刀具切削加工时的进给速度㊁刀具轨迹的显示颜色㊁GOTO命令以及辅助说明等[9]㊂其中,GOTO命令的结构如下:GOTO/x,y,z,i,j,k其中,x㊁y㊁z指的是刀具参考点在加工坐标系中的坐标值;i㊁j㊁k指的是刀具在这个刀位点时的刀轴矢量㊂5 结语㊀㊀本文提出利用Ultimate Eyeshot处理基于STEP 文件格式的叶片模型,并实现叶轮叶片的增材制造,试验表明,在合适的工艺参数下,增材制造的叶片完整,成形良好㊂参考文献[1]刘国田.回转面刀具侧铣叶轮叶片曲面的刀位规划研究[D].大连:大连交通大学,2015.[2]王国先.五轴联动加工中自由曲面的刀具路径规划研究[D].无锡:江南大学,2022.[3]孙家坤.基于iMAN的产品信息组织与处理[D].济南:山东大学,2002.[4]胡盼旺.复杂回转类零件自动特征识别算法研究[D].武汉:华中科技大学,2019.[5]孙立镌,梁颖,孙大松.自由曲面特征的定义与识别技术的研究[J].计算机工程与应用,2011(16): 204-206,234.[6]江本赤,王建彬,苏学满.一种双NURBS曲线的参数迭代插补算法[J].机械科学与技术,2019(5): 754-760.[7]王朝琴,石玗,王小荣.基于双NURBS曲线的叶轮叶片工业机器人GMAW增材制造[EB/OL].(2023-01-20)[2023-08-04]./kcms/ detail/44.1259.th.20230119.1611.001.html.[8]李丽,房立金,王国勋.NURBS曲面五轴加工刀具路径规划技术研究[J].机械制造,2014(2):5-9. [9]于桂欣,张定华,单晨伟,等.叶片螺旋铣加工中的刀具轨迹动力学分析与优化方法研究[J].新技术新工艺,2006(4):47-50.(编辑㊀姚㊀鑫)Research on surface path planning algorithm of rotary blade based on STEPWang Yafang Ye Fei Hu ZheXi an Innovation College of Yan an University Xi an710100 ChinaAbstract In recent years with the development of five-axis machining technology higher requirements have been put forward for the path generation function of CNC software especially for the tool path planning of free-form surface machining.Based on the rotary blade model in STEP format this paper uses Ultimate Eyeshot to extract the target feature information of the rotary body and carry out surface path planning.The research of this algorithm provides a new method for the additive manufacturing of rotary blade model and has reference significance for free-form surface machining.Key words STEP model rotary blade surface path planning。
复合材料自动铺带技术应用及方案示例
复合材料自动铺带技术应用及方案示例单位：中航工业哈尔滨飞机工业（集团）有限责任公司作者：徐福泉高大伟等发布时间：2009-12-10 10:27:17大飞机复合材料的应用国外大型军用、民用飞机中复合材料构件的比重迅速增加，波音787的复合材料构件已占结构重量的50%以上，A350复合材料构件将占结构重量的52%，俄罗斯开发中的MC21，复合材料用量也将占结构重量的40%～45%，A400M军用运输机上复合材料用量已达结构重量的35%。
国内ARJ21复合材料用量不多，大型结构件仅在方向舵上采用了复合材料。
大飞机正在研发过程中，考虑到当前和飞机生产出来后（至少7～8年后）的国际水平，参照国外的A380、波音787、A350、A400M、MC21等大型飞机，以及国内设计能力、试验能力、生产设备条件和工艺水平等，大飞机上复合材料构件占结构重量至少应不低于25%，达到舵面或机翼采用复合材料结构的水平。
而对舵面或机翼复合材料结构件的制造，当前最有优势的制造方法就是自动铺带技术。
自动铺带技术的发展所谓自动铺带技术，就是采用数控铺层设备，通过数字化、自动化的手段实现复合材料预浸布、带的连续自动切割和自动铺放。
主要工作过程为：将复合材料预浸料卷安装在铺放头中，预浸材料由一组滚轮导出，并由压紧滚轮或可随形机构压紧在工装或上一层已铺好的材料上，切割刀将材料按设定好的方向切断，能保证铺放的材料与工装的外形相一致。
铺放的同时，回料滚轮将背衬材料回收。
自动铺带作为典型的增料加工成型技术，其成型设备的制造技术涉及机电装备技术、CAD/ CAM软件技术和材料工艺技术等多个研究领域，可实现：（1）最大限度地利用单向预浸带（优于手工铺层采用的预浸布），并可减轻结构重量；（2）可更自由地设计铺层，发挥复合材料可设计性优势，在应力梯度和应力异常的区域选择性铺放补强，实现了整个结构的零剩余强度；（3）提高工作质量和铺放效率。
采用该技术，可提高复合材料裁片外形、纤维方向等几何参数的精确度和铺叠位置、方向、角度的准确性，从而避免了人为铺放产生的偏差，如产品出现缺陷的几率大、零件制造质量重复性差、质量分散性大，以及尺寸精度和铺放位置准确度不能满足大尺寸、高精度零件制造的要求等问题。
碳纤维螺旋桨自动铺放成形轨迹规划方法
集束模块
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剪断模块 ６．
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碳纤维的铺放装置采用西门子中央处理器与
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为机器人识别的 PTP 格式文件,实现对铺放 头 和
动成 形 铺 放 装 置,如 图 １ 所 示.四 丝 束 碳 纤 维 自
动成形铺放装置 工 作 原 理 如 下:将 碳 纤 维 丝 束 放
入铺放头的放束通道,丝束经过压紧模块、重送模
块、张力控制 模 块、剪 切 模 块,最 终 到 达 压 辊. 机
械手臂作为执行机构控制碳纤维丝束的轨迹与压
力,丝束在集束 模 块 的 作 用 下 传 送 到 螺 旋 桨 曲 面
内 尚 未 有 碳 纤 维 螺 旋 桨 制 造 的 成 熟 方 案 ,所 以
本 文 以 船 用 定 距 桨 桨 叶 为 对 象 ,结 合 自 由 曲 面
铺 放 算 法 进 行 相 关 轨 迹 规 划 方 法 研 究 ,在 传 统
碳纤维螺旋桨曲面网格 轨 迹 铺 放 仿 真 算 法 的 基
础 上 ,使 用 拉 普 拉 斯 网 格 优 化 算 法 改 善 网 格 划
纤维束自动铺放工艺
纤维束自动铺放工艺纤维束自动铺放工艺是一种先进的制造技术，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
其核心原理是通过自动化设备将纤维材料按照预定的规格和形状进行铺放，从而实现高效、精确的制造过程。
纤维束自动铺放工艺的主要步骤包括纤维材料的准备、设备调试和工艺参数的设定、自动铺放过程以及质量检验等。
首先，需要准备好纤维材料，通常采用的是碳纤维、玻璃纤维或者复合材料等。
这些纤维材料具有高强度、轻质、耐腐蚀等优良性能，适用于各种工程应用。
其次，需要对设备进行调试和工艺参数的设定，确保设备能够准确地铺放纤维束。
调试过程中需要注意设备的稳定性、铺放速度和纤维材料的张力等因素，以保证铺放效果的稳定和质量的可控性。
在自动铺放过程中，设备会按照预定的路径和角度进行铺放操作。
铺放路径可以根据产品的形状和要求进行调整，以满足不同产品的需求。
设备会根据预设的程序进行纤维束的铺放，通过控制铺放头的运动轨迹和速度，实现纤维束的精确定位和铺放。
同时，设备会根据预设的张力参数，控制纤维材料的张力，以保证铺放过程中纤维束的紧密度和均匀性。
纤维束自动铺放工艺的优势主要体现在以下几个方面。
首先，自动铺放工艺可以大幅提高生产效率。
相比传统的手工铺放工艺，自动铺放工艺具有更高的铺放速度和更高的一次性成功率，可以减少人工操作的时间和成本。
其次，自动铺放工艺可以提高产品的质量稳定性。
自动化设备能够精确控制纤维束的铺放路径和张力，保证产品的尺寸和形状的一致性。
再次，自动铺放工艺能够提高生产环境的安全性。
相比手工操作，自动化设备可以减少操作人员的接触风险，保障生产环境的安全。
然而，纤维束自动铺放工艺也存在一些挑战和改进的空间。
首先，设备的自动化程度和控制精度需要不断提高，以满足不同产品的需求。
其次，纤维材料的性能和质量对铺放效果有很大影响，需要进一步研究和改进纤维材料的制备和处理技术。
此外，自动铺放工艺的应用范围还有待拓展，例如在复杂曲面和异形产品的制造中的应用。
AFP自动铺丝机
AFP自动铺丝机原理结构图1.Entec 公司的AFW 机床如上期所介绍的，自动铺带机床（ATL）主要用於平面型或低曲率曲面的准平面型复材整体构件层铺制造，因此对於复杂高曲率轮廓复材整体构件——比如飞机的机身段/机头/机尾锥体、喷气发动机整流罩、进气道、喷管、锥形管、压气机叶片以及其他诸如椭圆形或“C”形件等复材整体构件，使用ATL机床将无法进行铺放加工制造，此时则需要使用自动纤维铺放机床（AFP），这也将是我们这篇文章所聚焦的主题。
实际上，在20世纪70年代初，自动纤维缠绕机床（AFW）就已开始应用於高曲率轮廓复材构件的制造，如图1所示，在民用工业中得到较多应用。
由於AFW机床纤维缠绕制造工艺是将一连续长纤维束带采用连续反复缠绕到回转的芯模上，通常不能实现纵向（0°方位）的纤维缠绕以及局部增厚或加筋，而ATL是利用滚压辊将确定宽度的预浸料带铺放到相对平直的模具上，且路径一般是有限的，但容易实现0°方向的铺放及局部增厚或加筋层铺。
随现代大型飞机中应用的复材整体构件轮廓复杂度越来越高，尺寸也越来越大，传统AFW和ATL已无法满足航空飞机制造实际应用需求。
为此，上世纪80年代末产生了将AFW机床缠绕功能和ATL机床层铺、压紧、切割和重铺等加工能力融合集成在一台设备上，此即出现了自动纤维铺放机床（AFP），也叫自动铺丝机。
图2 AFP机床基本结构典型AFP机床基本结构如图2所示，主要包括有可实现机床铺放头正交3轴运动的机床主体装置、回转芯模支撑与驱动装置、带双转动坐标轴的铺丝头功能部件和纤维经轴架辅助装置。
从功能上讲，AFP和ATL一样都是利用滚压辊将预浸料纤维“束带”精确地铺放到确定位置上。
但和ATL机床相比不同的是，首先AFP 可根据铺放层轮廓形状需求有目的地选择1~n个“纤维束”来组成确定形状的束带，因而可层铺复杂的、甚至带窗口的曲面；其次，AFP机床通常设计有一个驱动芯模回转的旋转坐标轴，被称为芯模旋转轴（卧式）或芯模旋转工作台（立式）。
基于FiberSIM的复合材料构件数字化设计与制造技术研究
高性能连续纤维复合材料为生 产轻质高性能的产品提供了巨大的 机会，但是高的材料成本以及设计和 制造复合材料产品的复杂性在很大 程度上抵消了复合材料的使用效益。 为了降低成本，提高复合材料生产效 率，缩短复合材料产品的开发时间， 减少材料浪费，降低工具损耗及生产 时间，美国ＶＩＳＴＡＧＹ公司在ＣＡＴＩＡ 软件平台上开发了用于复合材料设 计和分析的软件ＦｉｂｅｒＳＩＭ。ＦｉｈｅｒＳＩＭ 的复合材料铺层仿真技术能够预测 复合材料铺层如何与复杂的工装表 面贴合，并把贴合的结果形象地表示 出来。ＦｉｈｅｒＳＩＭ软件支持整个复合 材料的工程过程，可以使设计人员同 时在零件构型、材料、结构要求以及 工艺过程约束之间进行权衡。设计 人员使用ＦｉｂｅｒｓＩＭ软件能快速可视 化铺层形状和纤维方向，在设计阶段 发现制造问题并采取相应的纠正措 施。采用ＦｉｂｅｒｓｌＭ软件可以进行复 合材料零件的结构工艺性分析、工程 设计、曲面展开、铺层定义等，并通过 相应接口将定义信息传递至自动下 料机、激光铺层定位仪，直接利用设 计数据进行数控剪裁、预浸料激光定 位铺层，完全取消了图纸并提供了复 合材料零件数字化定义的单一产品 数据源，能提供正确完整的产品定义 信息，不会由于不正确或不完整的尺 寸以及数据传递错误造成返工，极大 地提高了生产效率和产品精度。
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图１
球形件转化示意图 ２０１２年第３期・航宅制造技术５３
万方数据
钐论坛Ｆ。ＲｕＭ
之间采用搭接或对接的形式铺层重 新连接成为一个整体。 在理论和实践的基础上通过对 ＦｉｂｅｒＳＩＭ软件的研究，形成了一套复 合材料构件数字化设计原则。进行 复合材料数字化设计时除要符合复 合材料一般设计要求之外还要遵守 以下原则： ・分开的铺层片之间需要进行对 接或搭接，一般在连接区和有配合要 求的区域对接，在没有严格要求的地 方搭接，搭接区域一般为１５ｍｍ。 ・对铺层进行制造可行性分析 时，如有部分纤维变形过大可采取优 化铺放起始点、优化拼接位置、局部 区域打剪口、铺层分开后连接等方法 以消除纤维变形过大的问题。对于 铺设方向的垂线方向大于预浸料幅 宽的铺层，客观条件要求必须要将预 浸料分成片，可通过逐步优化分片的 位置和铺放起始点使其通过仿真要 求，对于特别复杂零件可在局部打剪 口。对于铺设方向的垂线方向小于 预浸料幅宽的铺层，一般采取优化铺 放起始点来消除纤维变形过大，必要 时可在局部开设剪口，剪口主要分为 ｕ型剪口与Ｖ型剪口，前者适用于铺 层局部受压引起的纤维变形，开剪口 后不须打补片；后者适用于纤维由 于拉伸引起的纤维变形，开剪口后需 要打补片。对于铺层分开后连接除 非在特殊情况下，否则一般不用。 曲面下多蜂窝组成的夹层结构，对其 进行数字化设计时应特别注意蜂窝 上表面铺层的设计，由于蜂窝上下表 面的形状不同，为了工艺仿真的精 确，分别定义上下２个模具面。当对 右侧皮蜂窝上表面进行铺层仿真时， 好的边界内预铺一层并进行仿真， 观察仿真结果，其中蓝色区域代表 纤维处于最佳铺放状态；黄色区域 代表铺设时纤维偏转已达到警告角 度，此时纤维的偏转程度仍然可以接 受，可以继续使用；红色区域代表纤 维偏转角度已超过临界角，是不可接 受的。因此必须把预铺设过程中可 以看到的红色区域消除掉。考虑预 浸料幅宽以及尽量使纤维偏转角最 小的原则，在合适的位置将一整层断 开，分成两块布，可以看见红色区域 被消除，两块布又都在预浸料幅宽之 内，如图３所示。以此办法继续进行 铺放直到铺设完成。完成仿真并确 保每一层都满足要求后，应用软件生 成投影文件和下料文件准备进行后 续工作。 （３）主减平台数字化设计。 主减平台结构尺寸约 ２０００ｍｍ×１０００ｍｍ，为蜂窝夹层结 构，蜂窝边缘为３０。切角形式，蜂窝 上下表面各采用４层碳纤维布，边缘 用碳纤维预浸布加强。
复合材料自动铺带技术应用及方案示例
度和铺叠位置、方向、角度的准确性， 发自动铺带设备，完成了小型铺带机
（2）该 设 备 在 铺 层 时 能 够 对 铺
从而避免了人为铺放产生的偏差，如 的研制，并应用于复合材料结构件 层路径进行手动和自动设置，自动功
产品出现缺陷的几率大、零件制造质 的研制；北京航空制造工程研究所 能具有最佳的铺层路径，每层带可在
虽 然 备采用龙门式结构，主要包括带装夹
国 内 自 动 和释放 ( 开卷 ) 系统、衬纸带回卷系
铺 带 技 术 统、带缺陷检测传感系统、带对中和
研 究 起 步 导向系统、切带系统、铺带和压实系
较 晚，但 在 统、工作区域安全系统、铺带监控系
技术研究和 统、带卷装卸系统、工装定位及自动
空客西班牙Illescas用铺带工艺制造的平尾、方向舵
自动铺带作为典型的增料加工 成型技术，其成型设备的制造技术涉 及机电装备技术、C A D / C A M 软件 技术和材料工艺技术等多个研究领
大飞机复合材料制造技术 Composite Manufacturing Technology for Large Commercial Jet
域，可实现：
许多型号飞机上。
量重复性差、质量分散性大，以及尺 与 Forest-Line 公司合作研制的大 ±90°之间采取任意角度和任意方
寸精度和铺放位置准确度不能满足 型复合材料自动铺带机的调试工作 向的铺放。
大尺寸、高精度零件制造的要求等问
题。采用复合材料自动铺带技术可
在提高质量的同时，大幅度地节省原
材料，降低制造成本。同时，由于可
MTM44-1/HTS(12K)-134-35%RW MTM44-1/E-IMS65-24K 194-32%RW
【国家自然科学基金】_微分几何方法_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
水门开度 水轮发电机组 水下超高速航行体 气弹动力失稳 模糊有限元 模糊数 模糊控制 模糊应力 模糊位移 模拟 模态坐标 桥梁工程 格子法 柔性并联机器人 极点约束 松弛 有限元方法 更新拉格朗日构形 曲率 映射 时间最优轨道 斜拉索 数值积分方法 收敛 振动响应 拟塑性应变张量 恒功率控制 微分对策 微分几何方法 微分l系统 微分 形状合同控制器 形状变量 形状优化 弹性损伤 弹性介质 应变等价原理 平均曲率 局部相似目标 导弹 导引 实时数学仿真器 大豆根系 声波方程 塑性累积损伤 塑性屈曲 塑性区分析 坐标变换 地震波场模拟 圆柱壳体 固体力学 吸收边界 各向同性 可视化
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科研热词 非线性控制 永磁同步电机 微分流形 微分几何 反馈线性化 黎曼流形 黄金分割自适应控制器 鲁棒控制 预测控制 预优投票 非线性解耦控制 非线性微分几何 非线性奇异系统 非线性动力响应 非线性 阻尼 道路工程 运动学 边缘轮廓 辛算法 输出跟踪 输入输出解耦 载流薄板 轴对称压电圆板 转动惯量 跳转 超细长弹性杆 负载转矩观测 谐波平衡法 诱导曲率 诱导向量场 语音情感识别 计算机辅助几何设计 计算机应用 解耦控制 行人交通 螺旋锥齿轮 虹膜识别 虹膜定位 虚位移 自适应控制 自组织现象 自由曲面 自动铺丝 脉宽调制整流器 脉宽调制 耦合场 群速度 网格后置处理 缠绕 缓和曲线 络合
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CAD曲面的测地线计算方法
DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2014.05.005CAD 曲面的测地线计算方法张婷婷,王小平(南京航空航天大学机电学院,江苏南京 210016)摘要:针对自动铺丝路径规划芯模面测地等距网计算的核心问题,即简便、高精度的测地线计算方法存在的缺陷,给出了一种改进的在CAD 曲面上计算测地线的方法,给出了理论推导、算法的实现步骤以及流程图,并以实例验证了该算法的有效性。
对新算法与已有算法在计算精度方面所做的分析比较证明该算法操作简单,具有较高的计算精度,适合路径规划所涉及的大规模测地线计算的精度要求。
关键词:测地线;CAD 曲面;测地等距网;自动铺丝中图分类号:TP391.72 文献标识码:A 文章编号:2095-509X (2014)05-0016-05 复合材料自动铺丝技术又叫做纤维铺放技术,是近年发展起来的一种高效率、低成本先进复合材料自动化成型技术,已经广泛地应用于航空宇航等高性能复合材料结构的制造当中。
自动铺丝技术的轨迹有多种规划模式,一般通过自然路径轨迹规划的方法可使得铺放更加简便。
自然路径求解其实是物理概念至几何概念的一个推广。
从平面与可展曲面来说,自然路径就是一条平面上的直线或是一条可展曲面上的测地线[1],曲面上的自然路径构造方法有很多,但大多数是通过迭代来得到一系列的点以近似地表示出自然路径[2-3]。
此外,由于沿回转体的测地缠绕是纤维稳定缠绕的一个条件,故另一种较为广泛应用的纤维连续缠绕法的路径规划中也有测地线的应用。
曲面上测地线的求解方法可划分成两大类:一类为用分析法推导出生成测地线的具体公式,即经典测地线公式[4]。
该方法利用了其实际上为平面上的直线推广这一基本性质。
另一类是由各种测地线的性质推导出离散公式。
如Zantout 等提出的于数字采样所得到的曲面上对测地线进行求解的一种方法,Kumar 等则提出在三角化曲面上对测地线进行求解的两个离散公式和测地线的一个微分解[5]。
复合材料自动铺丝技术研究进展
复合材料自动铺丝技术研究进展The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites摘要：复合材料自动铺丝技术是在航空航天工业发展起来的一种“低成本，高性能”的先进复合材料自动化制造技术。
自动铺丝技术在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的高度重视。
本文对自动铺丝的原理、特点、CAD/CAM核心技术以及自动铺丝技术的国内外发展历程与应用进行了全面的介绍，最后展望了自动铺丝的发展前景。
关键词：复合材料，自动铺丝，CAD/CAMAbstract：Automated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced. Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing costs, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries. In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement is fully discussed. Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM1.引言复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料[1]。
管道曲面构件自动铺丝路径规划
Ｌ ａ ｙ ａ ｉ ｎｕｎ Ｙ
Ｗａ ｇＸ ａｐｎ ｎ ｉ ｉｇ ｏ
Ｗａ ｇＺ ｉｕ ｎ ｈｇ ｏ
Ｚ ｕⅡｊｎ ｈ ｕ
（ ｏ ｅｅｏ Ｍｅｈｎｃｌ ｎ ｌｃ ｉａ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｕ Ａ， ａｊ ｇ ２０ １ ） Ｃ ｌｇ ｆ ｃａｉａ ａｄＥｅｔｃｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ，Ｎ Ａ Ｎ ｎｉ １０ ６ ｌ ｒ ｎ ｉ ｎ
１ 引 言
一
投影得 到一 条脊 线 。用 类似 的方 法 得 芯 模 表 面 的一
组脊 线 。利用 求得 的一 组脊 线上 的点 的法 矢 和切矢 。 做平 面 ， 转 切失 ， 偏 再做 面 ， 求 面和 线 的交点 等一 系 并 列方 法 。 后 在芯模 表 面上拟 合离 散 点得 到给定 铺放 最 角 的螺旋 铺放 路径 。该 方法 求取 过程 较 为复 杂 ． 同时 必须 要 ０ 铺放 路径 求取 之 后 才能 求 取 其他 铺 放 角度 。 的铺 丝路 径 ， 以有 较 大 的局 限 性 。林 福 建 ［ 提 出 所 ７ ］ 了一种 用于 自由曲面 零 件 铺 丝 束成 型 轨迹 规 划 的新 方法 。 即基 于 Ｓ Ｌ文 件 格 式 的 轨 迹 规 划 。 由 于 Ｓ Ｌ Ｔ Ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｏ ｅ ａｈ ｇ ｎ ｒ ｔｏ ｌ ｏ ｔ ｍ ｏ ｂ ｒｐ ａ ｅ ｎ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ａｉｅ ｅｉａ ｉｅ ｓｒ ｃ ｎ ｖ ｌｐ ｔ ｅ ｅ ａｉｎ ａｇ ｒ ｈ ｆｒｆ ｅ ｌ ｃ ｍｅ ｔｉ ｒ ｓ ｎｅ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｇ ｎ ｒ ｌｚ ｄ ｈ ｌｃ ｌｌ ｉ ｉ ｎ ｏ ａ ａ ｕｒａ ｅ Ｈｅ ｅ ｔｅ ｐ ｏ ｌ ｍ ｆｐ ｔ ｌｎ ｉ ｇ ｏ ｈ ｕ ｄ ｓ ｒａ ｅ ｉ ｒｎｓｏｍｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｓ ｌ ｔｏ ｎ ｇ ｎ ｒ ｉｅ ｎ ｃ ｎ ｓ ｆ ｃ ． ｒ ｈ ｒ ｂ ｅ ｏ ａｈ ｐ ａ ｎ ｎ ｎ ｔ ｅ ｍｏ ｌ ｕ ｃ ｓｔａ ｆ ｒ ｄ ｉ ｔ ｈ ｏｕ ｉｎ ｏ ｅ ｅ ａ ｚ ｄ ｌ ｆ ｌ ｈ ｌｃ ｌｌｎ ．Ｗ ｉ ｈ ｓａｇ ｒｔｍ ，ｔ ｃ ｕ ａｅ ｇ ｎ ｒ ｌｚ ｄ ｈ ｌｃ ｉ ｅ ｉ ｂ ａｎ ｄ ｂｙ ｎ ｍｅ ｃ ｌｙ ｓ ｌ ｉｇ ｔｅ ｉ ｉｉ — ａ— ｅｉａ ｉ ｅ ｔ ｔ ｉ ｏ ｈ ｈ ｌ ｉ ｈｅａ ｃ ｒ ｔ ｅ ｅａ ｉｅ ｅｉａ ｌｎ ｓ ｏ ｔ ｉｅ ｕ ｒ ａｌ ｏｖｎ ｈ ｎ ｔａ ｖ ｌ ｉ ｌ ｌ ｕ ｒ ｂ ｅ ｒ ａ ｓ ｓｅ ｏ ｒｔｏｄ ｒｏｄ ｎ ｒ ｉｆｒ ｎ ｉｌｅ ｕ ｔ ｎ ． ｈｅ ｎ ｗ ｌ ｏ ｉ ｍ ａ ｏ ｖ ｄ ｂ ｅ ｐ ｏ ｌｍｓｆ ｙ ｔｍ ｆｆ ｓ— ｒ ｅ ｒ ｉ ａ ｙ ｄ ｆｅ ｅ ｔａ ｑ ａ ｉ ｓ Ｔ ｅ ａｇ ｒｔ ｏ ｉ ｏ ｈ ｃ ｎ ｂｅ ｓ ｌｅ ｙ ＯＤＥ ５ ｆ ｎ — ４ ｕ ｃ ｔ ｎ ｏ ｏ ｒｕ ａｌｂ ｂａ ｅ ｎ ａ ａ ｔ ｅ４— ｏ ｄ ｒＲｕ ｇ — ｔａ ａｇ ｒｔ ｉ ｆｐ ｗｅ ｌＭ ｔａ ｓ ｄ ｏ ｄ ｐ ｉ ５一 ｒ ｅ ｎ ｅ Ｋｕ ｔ ｏ ｉ ｏ ｆ ｖ ｌ ｈｍ． ｏ ｔ ｅ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｄ ｆｂ ｒｐ ａ ｅ ｎ ａｈ ｈａ Ｓ ｈ ｏ ｓｒ ｃｅ ｅ ｌ ｃ ｍｅ ｔｐ ｔ ｓ ｉ
自动铺丝技术及其在A350制造过程中的应用
自动铺丝技术及其在 A350
制造过程中的应用
郑广强，姚 锋，周晓芹
（中航复合材料有限责任公司，北京 101300）
[ 摘要 ] 介绍了自动铺丝技术的原理、特点、优势，并从铺丝设备、铺丝材料、铺丝工艺、应用等几个方面进行了阐述。 以空客 A350 复合材料制造技术为背景，分析了其机体结构的制造特点以及自动铺丝技术的应用。提出了复合材料 结构自动铺丝技术工程化应用关键问题。可为国内自动铺丝技术在大型客机复合材料结构成型中的应用提供参考。 关键词：复合材料；自动化制造；自动铺丝 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.16.076
复合材料用量的大幅提升离不 开自动化制造技术的强力支撑，尤其 是自动铺丝技术。自动铺带技术解 决 了 飞 机 小 曲 率 机 翼、尾 翼 等 翼 面 类复合材料结构的制造问题，将飞机 的复合材料用量提升到结构重量的 25% 左右；而自动铺丝技术解决了大 曲率机头、中机身、后机身、机翼大梁 等复杂结构的制造问题，将飞机的复 合材料用量提升到机体结构重量的 50% 左右，已经成为复合材料工程化 应用的里程碑。自动铺丝技术能有 效降低生产成本，提高生产效率，有 利于复合材料构件质量的可靠性和 稳定性，经济效益显著，已经成为机 身结构制造的典型工艺。大型客机
新视点
NEW VIEWPOINT
8% 其他
19% 铝合金
53% 碳纤维 复合材料
6% 钢 14% 钛合金
图1 空客A350机体材料应用情况 Fig.1 Material application of A350 airframe structure
图2 自动铺丝技术在A350中机身蒙皮上的 应用
（1）加工的零件尺寸没有限制。 自动铺丝技术对制件的尺寸大小几 乎 没 有 限 制，无 论 是 开 敞 的 曲 板 结 构，还是封闭的回转体筒段，设备制 造商都可以根据产品的尺寸大小和 结构形式开发合适的专用铺放设备。 因此，自动铺丝技术完全满足大型客 机复合材料结构件制造的尺寸需求。
框架结构梁板碳纤维布加固结构施工工法
混凝土框架结构梁板碳纤维加固施工工法1．前言混凝土结构是建筑行业中最主流的结构形式，其强度、耐久性和可靠性都很高。
但随着时间、环境和建筑质量的提高，混凝土结构的结构安全和抗震性能也面临着更大的挑战。
为了维护混凝土结构的安全、稳定和使用功能性改造的需求，混凝土结构加固改造的技术的应用也迅速发展。
机电公司承建的工人疗养院9#劳模楼改扩建工程，采用碳纤维布对原钢筋混凝土框架结构主体梁板进行改造加固，通过对承受承载力的梁、板、柱等结构受力构件粘贴碳纤维布以增强混凝土结构的抗拉强度、抗剪力强度、耐久性和防震性能，达到对结构构件的补强加固和改善受力性能的效果，满足建筑物功能性改造的使用需求。
2．工法特点碳纤维布与传统的加大混凝土截面或粘钢补强加固不同，碳纤维加固是碳纤维布通过粘结剂和原结构主体结合，在不增加结构物的荷重的前提下提高原结构受力性能，达到高效加固的目的。
（1）粘结质量是影响加固效果的关键因素之一，在本项目碳纤维布的施工过程中，基层处理中通过增涂一道打底胶施工工序，做到对凿除后原结构的破损混凝土面的渗透粘接，做到基层的干净、抵抗施工环境、施工技术等一些不可控因素，提高粘结质量，保证了碳纤维布的粘接效果。
（2）碳纤维布自由端是最薄弱的地方，在本项目施工中通过在自由端部用-100*5粘贴钢板压条加固，靠墙端部用L75*5角钢顺墙向通长粘贴角钢压条加固措施，消除容易受到的开裂破坏。
（3）控制粘贴胶固化速度过快，项目施工时间在3-6月份施工，气温在25-350C，拌制好的树脂胶经常在45-60分钟左右凝结。
在实际操作中，通过采取以下措施：○1手动搅拌方式代替电动搅拌，降低搅拌速度，达到充分化学反应；○2A、B组份的配合比不正确，采用电子秤承重，严格按适配比例配置；○3减少胶拌制量，调试配比比重，增加A组份质量比重；通过以上措施，拌制好的树脂胶使用时间延长至60-80分钟。
（4）增设一层厚4cm，C25细石混凝土层，保护加固后的混凝土构件表面不受损，提高耐久性。
树脂基复合材料自动铺放技术进展
树脂基复合材料自动铺放技术进展第一篇：树脂基复合材料自动铺放技术进展树脂基复合材料自动铺放技术进展1. 前言用于航空航天器的先进复合材料构件主要采用热压罐成型技术制造。
自动铺放是替代预浸料人工铺叠,提高质量和生产效率的重要手段。
根据预浸料形态,自动铺放可分为自动铺带与自动铺丝两类:自动铺带(Tapelaying)采用有隔离衬纸单向预浸带(25~300 mm),多轴机械臂(龙门或卧式)完成铺放位置定位,铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压,整个过程采用数控技术自动完成。
自动铺丝(Fiber place-ment)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3~25 mm),分别独立输送、切断,由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸纱根数调整)后铺放在芯模表面,加热软化预浸纱并压实定型。
自动铺带与自动铺丝的共同特点是自动化高速成型,质量可靠,主要适于大型复合材料构件成型;其中自动铺带主要用于小曲率曲面构件(如翼面、壁板)的自动铺叠,由于预浸带较宽,以高效率见长;而自动铺丝侧重于实现复杂形状双曲面(如机身、翼身融合体),适应范围宽,但效率逊于前者。
自动铺放技术是数控机床技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术的高度集成。
自动铺放源于上世纪60年代,在美国空军实验室支持下起步,后经ACT、CAI(计算机辅助设计)等计划支持,迅速发展:自动铺带机、自动铺丝机、各种预浸带/纱已经形成系列产品供应,用于多种航空航天器制造。
欧洲自动铺放技术近年来长足进步,形成自己的特色:如自动铺带的双头两步法和多带同步铺放技术,自动铺丝的旋转切割与预浸纱快速续接技术,这些技术大大提高了生产效率和适用性。
由于自动铺放成形采用的材料体系成熟度高,设计成型方法继承性好,易于数字化设计和自动化制造,已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成型方法:新一代大型飞机B787、A350的所有翼面采用自动铺带,而所有机身构件采用自动铺丝。
纤维缠绕铺带铺丝成型设备的发展状况
纤维缠绕/铺带/铺丝成型设备的发展状况目前，飞机复材构件的自动化成型工艺主要包括纤维缠绕、纤维带铺放和纤维丝铺放3种类型。
其中,纤维缠绕技术是最早开发并广泛使用的加工技术,亦是最成熟的生产技术。
所谓纤维缠绕成型工艺，就是将浸过树脂的连续纤维，按照一定规律缠绕到芯模上并层叠至所需的厚度，然后在加热或常温条件下固化、脱模，获得一定形状制品的工艺方法。
自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径较大且变化较缓的模具表面。
铺带机多采用龙门式结构，其核心部件是铺带头，须完成超声切割、夹紧、衬纸剥离和张力控制等功能。
铺丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条由多根预浸纱组成的宽度可变的预浸带后铺放在芯模表面，经过加热软化后压实定型。
铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产品表面制备，铺设时没有皱褶，无须作剪裁或其他处理。
铺丝可以代替铺带，相对于铺带，它的成本较高、效率也低一些，但复杂的曲面表面必须用铺丝工艺完成。
在航空制造业，纤维缠绕技术主要用于雷达罩、发动机机匣、燃料储箱、飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，现代大型喷气客机(如波音747等)上众多的高压气瓶都是用玻璃纤维复合材料缠绕成型的,它们为飞机提供了不可缺少的气动控制动力源。
纤维带铺放技术制造的飞机复材构件典型的有飞机机翼蒙皮、垂/平尾蒙皮、翼肋、方向舵和升降舵等。
F-22战斗机机翼和波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮、C-17运输机的水平安定面蒙皮、全球鹰RQ-4B大展弦比机翼、787机翼、A330和A340水平安定面蒙皮、A340尾翼蒙皮以及A380的安定面蒙皮和中央翼盒等，均采用铺带工艺成型。
铺丝技术的典型应用包括S形进气道、中机身翼身融合体蒙皮直至带窗口的曲面等。
首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司，它研制了V-22倾转旋翼飞机的整体后机身。
复合材料结构中的纤维路径及连续纤维的均布性
铺叠所用材料为预浸料，由于纤 维具有带宽，不能完全按照理想的纤 维路径（图４）进行铺放，因此按照理 想路线进行最近似的处理。
将铺层分成条状铺叠，２条边界 都为理想的纤维路径，但是这条状铺 层纤维路径按照某条边界完全连续， 断纤维的端头将集中分布于另一条 边界上（图５）。这样１个铺层中是 由若干条这样的条状铺层拼接而成， 断纤维和连续纤维将在铺层中交替 铺放（图６和图７）。
在复合材料结构中，纤维是主要 承载材料，纤维只有在张紧状态下才 能承受最大载荷。纤维张紧时，其路 径是曲面上最短的，而曲面上最短的
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图１传统纤维路径的定义
７８航空制造技术·２０１０年第２４期
万方数据
ｃｏｍｐｏｓ赫Ｍａｎｕｆａ如期ｇ １．础眦ｇ。。复合材料制造技术
图２复合材料结构受力情况
图３主应力分布
绷酞
图４理想情况下的纤维路径
距离一定是测地线。因此，对于图２ 中结构的某一层而言，以０。为例，结 构的２边受到载荷时，这一层的每根 纤维只有按照测地线分布和排列时， 才能使得纤维绷紧并承受最大载荷， 即与此点主应力一致（图３）。 ２纤维面密度为定值时的纤维路径 １．１纤维路径的定义
铺覆图２型面上的某一层纤维 时，采用的是纤维面密度为定值、各 束纤维并行排列并有一定宽度的预 浸料或帘子布，这里不考虑预浸料中 并行纤维之间不能滑移的问题，即并 行纤维之间可滑移。每层纤维的面 密度为定值，所以有一定宽度的连续 纤维在图２曲面上的排列为主应力 方向时，某些区域将有缝隙存在，这 一区域只能由断纤维填充，并在此区 域做适当的补强。
结束语 按照上述新方法可以部分解决 双曲面的纤维路径和铺叠之间的关 系，尤其是机身和整体结构。
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第37卷增刊2005年11月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing U niversity of Aero nautics &Astro nautics V ol.37Suppl. N ov.2005自由曲面构件的纤维铺放路径规划邵冠军,游有鹏,熊 慧(南京航空航天大学机电学院,南京,210016)摘要:针对复合材料纤维铺放工艺及其设备控制的特点,提出了复合材料构件CA E/CA M 一体化纤维铺放路径优化设计方法。
通过对构件模型的有限元分析,获得构件的内部应力分布,根据主应力的大小和方向合理规划出若干基准纤维铺放路径;提出了基于等距线、等分点原理的两种算法,对基准铺放路径进行均匀密化,实现整个构件曲面的纤维铺放路径规划;讨论了铺丝宽度和铺放精度的控制策略,并给出了铺放头压辊中心控制轨迹,以满足纤维铺放机械手的控制需求。
关键词:纤维铺放;铺放路径规划;纤维复合材料;有限元分析;自由曲面中图分类号:T P 273 文献标识码:A 基金项目:江苏省自然科学基金(BK 2004127)资助项目。
收稿日期:2005-08-15 作者简介:邵冠军,男,硕士研究生,1981年1月生,E-mail:shao guanjun20@yaho o.co m.n;游有鹏,男,教授,博士生导师,1960年生;熊 慧,女,硕士研究生,1978年3月生。
Optimal Fiber Placement Paths for Free -Form Surface PartsS H A O Guan -j un ,YOU You -p eng ,X I ON G H ui(Colleg e of M echanical and Electrical Engineer ing ,N anjing U niver sity of A ero naut ics &A stro naut ics,N anjing ,210016,China)Abstract :Fo r the co ntrol o f fiber placement equipments,a metho d is used to pro duce optim al fiberplacement paths fo r free -fo rm surface co mposite parts based o n CAE /CAM integration .By modeling the co mpo site part w ith applied loads,the stress distribution of the part is investig ated by finite element analy sis w ith ANSYS.One or more optim al fiber placement baseline-paths can be pro duced,in w hich the tangential vector of each point matches its principal stress direction to increase the load -carry ing capability of the part .T w o algo rithms are used to generate the rest fiber placem ent paths from the given fiber placement baseline-paths.The surface shaping erro rs resulted fr om placement path intervals are analy zed and a contro l strategy is sug gested.The method is im plemented based on the U G platform and an example is given .Key words :fiber placement;placement path planning ;fiber com posite;finite element analysis;free-formsurface 纤维复合材料构件具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、透波、吸波、稳身及抗高速冲撞等优点,被广泛应用于航空、航天等高科技领域。
纤维铺放成型是一种新型的复合材料构件自动化制造技术,成型设备、成型工艺和控制编程是它的三大支撑技术。
自动铺丝束成型作为一种新型的复合材料制造技术,不同于传统的加工方法,它不仅需要先进的铺放设备,更离不开功能强大的控制软件的支持。
其中铺放控制程序是铺放系统实现多种复杂构件铺放过程自动化控制的关键技术之一,直接关系到铺放能否成功、成型后的构件性能优劣。
一般纤维铺放控制的编程软件应包括如下功能:首先,要设计出构件的基本造型;其次,由路径生成软件确定实际的铺层方向、边界以及具体的铺放路径,生成的铺放路径还要与仿真软件包集成,以确保描述的路径可被纤维铺放设备理解和正确执行;最后,控制信息要输入到纤维铺放设备以控制构件的铺放加工。
其中,纤维铺放路径的生成最为关键,应根据曲面构件的几何形状、受力状况及强度要求等,规划、设计整个构件的纤维铺放路径。
本文以自由曲面纤维铺放的控制编程为背景,结合自由曲面构件的平面铺放模式,对自由曲面的纤维铺放路径规划方法进行了系统研究。
1 纤维铺放技术及其特点纤维铺放(Fiber placement )是在纤维缠绕和自动铺带基础上发展起来的一种全自动复合材料构件制造技术,亦称自动铺丝束成型技术(Automated tow placement)。
纤维铺放成型设备由旋转的芯模和多自由度铺放头(机械手)系统组成,由计算机协调、控制整个成型过程。
图1是一台七自由度自动铺丝机示意图。
铺放时,成型系统可以按照结构设计所确定的铺层材料、铺层方向和铺层厚度,通过多自由度的铺放头将多种纤维预浸纱束(窄带)自动铺放在旋转的芯模表面,同时加热软化预浸纱束、压实定型后再放入固化炉加热固化成型。
而对热塑性体系,可以在铺放过程中直接加热定型固结。
图1 七自由度自动铺丝机示意图纤维铺放成型技术的突出优势在于:对制品的适应性更强,既可铺凸面又可铺凹面,特别适用于复杂型面复合材料构件的铺放成型;高度自动化,可以实现复合材料构件敏捷制造,迅速形成批量生产;而且产品质量稳定性、生产可靠性高。
2 自由曲面的铺放路径规划纤维铺放路径规划的基本任务就是针对复合材料构件设计时确定的几何形状(芯模/模板)、铺层方向和成形精度要求,并考虑铺放设备的加工参数,合理规划、设计出制造该构件的纤维铺放路径。
具体任务包括:(1)纤维铺放路径上任一点的切矢必须符合一定的铺层方向要求,以满足构件的力学性能设计;(2)相邻两铺放路径间的距离小于铺放设备允许的最大丝束宽度,同时满足构件的成形精度要求;(3)根据纤维铺放设备的控制要求,还需给出铺放路径上任一点的芯模表面法矢,以控制铺放头的姿态、生成铺放头压辊的中心轨迹。
纤维铺放的方向与路径对复合材料构件的性能影响很大。
为充分发挥纤维材料的性能,提高构件的承载能力,纤维铺放路径规划时,理想的方法是使铺放路径上任意一点处的切线方向与复合材料构件在该点所受主应力的方向一致[1]。
然而,由于受铺放设备和铺丝宽度的影响,铺放路径不可能完全精确地沿着主应力方向,且根据文[2,3],纤维的铺放路径还必须符合构件的后续制造工艺,如构件中应力集中处的纤维铺放不能过密,否则会形成纤维堆积,反而会降低构件的应用性能。
为此,本文提出一种面向应用的复合材料构件CAE /CAM 一体化纤维铺放路径优化设计方法,基本思路是,针对具体构件的实际应用,通过有限元分析,得到构件的内部应力分布(CAE);再以此为依据进行构件的铺放路径规划(CA M ):根据构件的内部应力形式,手工选取曲面上的一条或几条基准纤维铺放路径,以描述构件的基本铺放方向;最后,综合考虑铺放设备、铺丝宽度和后续制造工艺的影响,生成整个构件的纤维铺放路径,形成构件的优化铺层。
2.1 基准纤维铺放路径的生成生成基准纤维铺放路径的目的在于,以复合材料构件的受力分析为依据,按主应力方向优化设计构件的基本纤维铺放方向,以充分发挥纤维复合材料性能,为整个后续构件铺放路径的规划奠定基础。
为完成自由曲面受力分析,本文利用UG 建立NU RBS 曲面模型,利用ANSYS 作为有限元分析工具。
具体方法是,首先在U G 里建立曲面构件的NU RBS 曲面模型,然后导入ANSYS 中划分网格、定义材料参数、设置边界条件并求解。
对于较简单的曲面也可直接在ANSYS 中建模,以免除模型导入导出带来的不便。
对ANSYS 求解结果的分析,可在后处理器中查看主应力矢量图和等值线图。
从主应力等值线图可了解构件的应力集中情况,从主145增刊邵冠军,等:自由曲面构件的纤维铺放路径规划应力矢量图中可以获得构件的主应力方向。
综合考虑主应力集中和主应力方向对构件承载性能的影响,利用ANSYS 后处理器的路径操作,可手工选取出符合理想纤维铺放路径要求的若干离散点,组成一条或若干条离散的基准铺放路径。
将上述基准铺放路径离散点导入UG,利用UG OPEN /API 对这些离散点进行样条拟合,即可生成所需的光滑的基准纤维铺放路径。
图2为某曲面模型及其边界条件,图3为该曲面根据有限元分析结果选取的基准纤维铺放路径。
图2 曲面模型及其边界条件图3 选取的基准纤维铺放路径2.2 自由曲面的纤维铺放路径的密化为完成整个曲面构件的纤维铺放,必须对上述基准铺放路径进行密化,以生成整个曲面的铺放路径,使其既不重叠又不留缝隙地均匀铺满芯模表面。
同时,纤维铺放路径的密化程度还应满足铺放设备的铺丝宽度和构件的铺放成形精度等要求。
因此,纤维铺放路径的密化事实上包括芯模表面上铺丝路径均匀密化和丝束宽度、铺丝的精度监控两个方面。
针对纤维铺放路径的密化,考虑到构件为自由曲面,生成的基准纤维铺放路径为芯模表面上的一条或一组空间自由曲线,所求均匀密化铺丝路径要同时受到芯模表面和基准纤维铺放路径的约束,远比一般平面上的路径密化复杂得多。
为此,本文提出了基于空间等距线和等分点的两种密化算法,分别适用于基准纤维铺放路径为一条和一组时的情形。
2.2.1 基于空间等距线的铺放路径密化当基准纤维铺放路径仅有一条时,芯模表面上的其余铺放路径可采用空间等距线密化算法生成。
即以基准纤维铺放路径为参考,依次生成相邻的纤维铺放路径,并保持相邻的纤维铺放路径上各点的侧向空间距离为一常数,该距离可根据丝束宽度、铺丝的精度指标来进行调整。