开孔曲面自动铺放轨迹规划算法研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJuI252013V01．34No．71716．1723ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．on开孔曲面自动铺放轨迹规划算法研究李俊斐，王显峰，肖军*南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016摘要：为解决开孔曲面自动铺放轨迹规划问题，提出在前处理中将孑L边界内外的曲面接合成完整曲面的方法，采用STL文件提取网格化曲面信息并重构开孔曲面拓扑，按照设定算法获得“连续”的铺放轨迹后，再按孔边对轨迹点进行信息整理

2、得到后置处理所需的最终铺放轨迹点信息。研究了迭代法和投影法在轨迹线与孔边界交点的求取方法，综合比较2种算法的效率和精度后，发现投影法更适于开孔曲面的轨迹规划。根据上述算法，编写了基于VC++6．0平台的轨迹规划程序，以整体复合材料前机身为例进行算法验证，证明了提出的开孔曲面自动铺放轨迹规划算法的合理性和正确性。关键词：复合材料；自动铺放；轨迹规划；开孔曲面；边界处理中图分类号：V261；TP391文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1716-08在航空航天工业的各种大型结构中，为了实现功能或减重上的要求，经常会涉及到结构开孔，如飞机机身舷窗、高铁车厢车窗

3、等。自动铺放技术(包括自动铺带技术与自动铺丝技术)[13能够在成形中实现预浸带／纱束的切断和重送，从而能够实现在制造过程中，直接完成开孔结构的铺放成形、节约原料。研究在CAD环节上合理规划轨迹实现开口铺放，保障大幅削减制造成本、缩短生产周期，具有重要意义。开孔结构纤维轨迹设计研究方面，主要的方法是采用变角度法(FiberSteering)进行纤维路径的设计：Hyer和Charette[23与Katz等[31研究了开孔平板在单向拉应力下的失效载荷，提出利用纤维曲线路径提高制件力学性能的方法，其失效载荷与传统设计相比有显著提高；Reuschel和Mattheck[4]以一受单轴拉伸

4、载荷的开圆孔通管为研究对象，通过优化纤维路径使最大主应力下降50％；Legrand等[5]以带螺栓孔的层合板为例，对承载构件进行有限元分析，采用基因算法进行纤维路径规划，实现层合板变角度铺层设计方法；邵冠军等[6]利用ANSYS有限元分析工具进行构件受力分析，按主应力方向优化设计构件的纤维铺放路径，并按主应力大小设计纤维铺放密度，以充分发挥纤维复合材料性能。以上相关研究主要以受力分析为依据，采用“避绕”孔洞的方式，通过开孔构件纤维路径规划提高承载力。但对于实际工程应用的大型构件来说，其复杂的承载情况(尤其是多工况载荷)大大增加了应力分析的难度。其次，这样的规划方法仅适用于单层材

5、料，对复合材料层合板结构不具备实际工程意义。再次，虽然在结构设计上纤维可沿任意方向规划，但从工艺可行性角度上收稿日期：2012—08—02；退修日期：2012-08-29；录用日期：2012-10-05；网络出版时间：2012-10-0916：38网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20121009．1638．001．html基金项目：民机预研专项；国家自然科学基金(50905088)；国家科技重大专项(2010ZX04016-013)；中央高校基本科研业务费专项资金(NS2012112)；国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金

6、项目(SAMCl1一JS-07—222)*通讯作者．Tel．：025．84892980—801E—mail：jxiao@nuaaeducn羽角格式

7、LIJF．WangXF，XiaoJResearchontrajectoryplanningmethodofautomatedtapelayingandautomatedfiberplacementforsurfaceswithholes．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013，34(7)：1716-1723．李俊斐．I显峰，诲军．开孔莹面自动铺放轨迹规粕算法研究．航空学报．2013．34(7

8、)：1716-1723．李俊斐等：开孔曲面自动铺放轨迹规划算法研究看，轨迹受到预浸带／纱束变形量的限制[7_8]，难以严格按照变角度设计的路径进行铺放，而且面向任意开孔曲面自动铺放轨迹规划的研究报道不多。自动铺放技术能够切断或重送预浸带／纱束，若能基于这一特点对构件进行局部补强，其处理方式将更具应用价值。因此，按受力分析进行轨迹规划的方式已无法满足工程需要，亟待开辟新的规划思路。本文以开孔曲面为研究对象，提出了开孔曲面轨迹规划前处理方法以及开孔曲面轨迹线的求取算法。由于开孔曲面中存在孔洞，使