基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaFeb．252013V01．34No．2434—441ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法熊文磊，肖军*，王显峰，李俊斐，黄志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：基于轨迹的可铺放性要求分析了铺放过程中预浸料产生畸变的原因及影响轨迹可铺放性的因素。根据测地线定义构造了一种基于网格化曲面的测地线新算法，具有高效率、高精度等特点；在此基础上综合考虑预浸料的可铺放性和

2、构件强度分布要求，提出了具有曲面自适应功能的铺放轨迹算法，可根据预浸料带宽计算得到铺放轨迹容许的最大测地曲率，并将其运用于铺放轨迹设计，使轨迹能够保证预浸料良好可铺放性的同时又满足构件的强度分布要求。最后通过数据库SQLServer和VC++针对某型号S型进气道进行铺放轨迹设计，在CATIA中将计算获取的离散轨迹点拟合成曲线并进行了实际的铺放试验，验证了测地线生成算法和铺放轨迹生成算法的正确性和有效性。关键词：复合材料；自动铺放；轨迹规划；网格化曲面；测地线中图分类号：V261；TP391文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)02—0434—08先进复合材料具有轻质量、高强

3、度、高模量、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成形大型构件等优点，已在航空航天领域得到了广泛应用n]。自动铺放作为替代预浸料手工铺叠的复合材料先进制造技术，利用专用铺放设备，通过数控技术实现铺叠过程的自动化，较手工成形具有高效率、高质量、高精度等特点，是近年来发展最快、效率最高的低成本复合材料自动化成型制造技术之一[2≈]。由于在材料工艺、构件结构功能等方面的特殊要求，铺放过程的轨迹规划至关重要。根据预浸料的形态，自动铺放可分为自动铺带和自动铺丝。自动铺带采用一定宽度的预浸带(25～300ram)，由于预浸带纤维方向的可变形量很小，为了保证铺放过程中不产生皱褶进而影响产品性能，只能沿特定

4、的轨迹方向进行铺叠。1987年，美国的H．W．Lewis首次提出“自然路径”的概念并将其运用于自动铺带的轨迹规划以保证在铺放过程中预浸带整体变形最小。此后，国内外自动铺带轨迹算法的研究也主要是基于该算法在精度或效率上的改进[4。7]。自动铺丝则采用多束预浸纱／分切的预浸窄带(3～25ram)，能够实现预浸纱的独立输送、切断、压实等功能，具有成形精度高、曲面适应性强、铺放自由度大等特点。针对自动铺丝的上述特性，轨迹设计主要是为了满足构件的结构强度要求、满覆盖性要求、经济性要求等。常见的自动铺丝轨迹规划方法有：与某一参考轴成固定角度规划法、根据初始参考线等距平移法、正交投影法和基于应力分布的连

5、续变角度法邙。12

6、。总体来说，目前的轨迹规划方法根据自动铺带和自动铺丝的各自特性，侧重点也不尽相同：自动铺带的轨迹设计主要基于预浸带的可铺放性展开，而自动铺丝的轨迹设计主要收稿日期：2011．07．14；退修El期：2011-07—27；录用日期：2011-09·06；网络出版时间：2011-10-1114：12网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／deta¨／11．1929．V．20111011．1412．010．html基金项目：国家自然科学基金(50905088)；国家科技重大专项(2010ZX04016·013)*通讯作者．Tel：025-84892980—801E-m

7、ail：j．xiao@nuaa．edu．cn弓l甩棒武tXiongWL．XiaoJ．WangXF．eta1．Algorithmofadaptivepathplanningforautomatedplacementonmeshedsurface．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013，34(2)：434．441。熊文磊．肖军．I显峰．等。基f踊格化曲面的自适虚自动铺放轨迹算法．航空学报，2013．34<2)：434—44

8、．熊文磊等：基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法基于构件的强度分布要求展开。随着tt动铺放技术的发展与大规模应用，自动铺带和自动

9、铺丝的界限逐渐模糊，已形成多窄带铺放技术[13

10、。这就要求进行轨迹设计时需综合考虑材料工艺性和构件承载分布的影响，单一的铺带／铺丝轨迹算法难以统筹。据此，本文提出了一种基于网格化曲面、能够根据带宽自动生成合适轨迹的算法，在保证预浸带可铺放性的同时满足构件的强度分布要求，对自动铺带和自动铺丝均能适用，可直接运用于多窄带铺放技术。1轨迹可铺放性分析轨迹的可铺放性即保证铺放过程中预浸料不发生变形、不产生畸变(屈皱、撕裂)的能力