复合材料曲面铺层的数字化展开技术及发展方向

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1、复合材料曲面铺层的数字化展开技术及发展方向   复合材料由于其材料特殊性及成型工艺性，已被广泛应用于现代飞机结构件的制造上。传统的复合材料铺贴下料时简单零件可按尺寸大小裁剪，复杂形状需先制作样板，按样板裁剪单向带或织物，然后手工铺覆到模具上，再裁掉多余料，经验性强，存在尺寸精度差、效率低、生产面积大、材料利用率低等缺点，已经不符合现代飞机数字化设计制造的特点。因此如何快速、准确地得到满足工程实际的复合材料曲面展开结果已成为复合材料数字化设计、制造的关键环节。与传统的复合材料手工下料相比，曲面数字化展开、下料具有效率高、材料利用率高、产品质量高、可准确估算生产成本等优点

2、，如图1所示。图1复合材料数字化下料及激光投影铺贴  复合材料曲面铺层的数字化展开技术及发展方向   复合材料由于其材料特殊性及成型工艺性，已被广泛应用于现代飞机结构件的制造上。传统的复合材料铺贴下料时简单零件可按尺寸大小裁剪，复杂形状需先制作样板，按样板裁剪单向带或织物，然后手工铺覆到模具上，再裁掉多余料，经验性强，存在尺寸精度差、效率低、生产面积大、材料利用率低等缺点，已经不符合现代飞机数字化设计制造的特点。因此如何快速、准确地得到满足工程实际的复合材料曲面展开结果已成为复合材料数字化设计、制造的关键环节。与传统的复合材料手工下料相比，曲面数字化展开、下料具有效率

3、高、材料利用率高、产品质量高、可准确估算生产成本等优点，如图1所示。图1复合材料数字化下料及激光投影铺贴国外有关复合材料的研究比较早，并且已经有一些先进的技术投入使用，带来了可观的经济效益，而国内有关研究起步较晚，还存在一定的差距。现阶段复合材料数字化制造的几个技术难点主要集中在复杂零件曲面的数字化展开、自动下料过程中的毛坯料排样等技术上。本文将重点讨论复合材料曲面数字化展开技术及发展方向。复合材料数字化展开技术零件的展开方法一直以来都是人们关注的热点，较好的展开方法能够更真实地模拟出材料成型过程，能够很好地控制制造成本。半个多世纪以来，国内外很多学者对钣金件的展开算

4、法作了深入的研究，提出了很多成熟的算法，而且也都已经运用到了实际生产中。对于复合材料，由于它与金属材料的力学性能的差异较大，所以这些相对成熟的展开算法往往都不太适用，然而由于复合材料数字化制造的迫切需要，长期以来，很多学者置身于复合材料的仿真研究。由于复合材料各向异性的特点，实际铺设的过程中往往指定一条基线方向，根据复合材料制件的性能要求，对于不同的铺层选择0°、90°、45°、-45°方向进行铺设，对于不同的铺设方向，其展开毛坯一般都不相同，即使对于同一个铺层方向，由不同的展开算法得到的展开形状也往往不同。判断一个展开算法的优劣，一般从以下3个指标来评价：（1）展开

5、毛坯面积。将二维的纤维编织布铺设到三维的模具上时，一般都会有一定的变形，因此选用不同的展开方法得到的展开毛坯其面积一般都不同。对匀质的复合材料，较小的面积意味着重量也较小，相同的铺层数量下，结构的重量也越轻。（2）纤维编织布变形能。纤维编织布的变形能一般根据纤维束的弯曲程度、经线与纬线的夹角变化来定义。变形能越小，成型后残余应力越小，零件成型质量越高。（3）是否有起皱或凸起。实际生产中遇到的零件曲面，从严格数学角度来讲都属于不可展曲面，现有的展开算法都是用近似的方法得到的展开毛坯。对于一些曲率变化较大的区域，如果处理得不好，实际铺设的时候可能会发生褶皱或凸起，这将直接

6、影响到制件的性能，甚至可能会导致生产出废品。从仿真模型的使用上通常可以分为两大类：几何仿真模型、力学仿真模型。下面介绍几种常见织物三维仿真模型。1基于几何仿真模型的复合材料展开对于织物的变形机理，最早的研究是针对服装设计制造领域的，1986年WeilJerry首次提出了一种基于几何理论的布料仿真技术，这是标志性的文献。提出了对一种悬挂的三维织物在受到一定约束时的三维效果描述，该技术的计算过程分两个步骤，第一步是根据织物内部约束，计算出织物约束点大致形状，第二步是计算出织物所有点的几何位置，描述织物的几何形状。基于几何的方法的优点是模型相对比较简单，不用考虑材料的各种属

7、性，织物铺设时的变形主要由曲面上各处的曲率决定。基于几何的曲面展开的方法，又分为两个研究方向：一是将三维曲面上的节点直接投影到平面上，得到的展开二维图；另一种模拟织物的变形过程，将二维织物铺附到三维曲面上得到变形的织物，再还原到平面毛坯。J.McCartney等面向服装制造提出了一种正交各向异性的材料模型，在双参数曲面上进行三角细化，当曲面为不可展曲面的时候，展开后的二维平面网格将产生局部能量集中，经过能量最小化的方法得出二维展开模型，其中允许展开后的曲面有裂缝。Azariadis和Aspragathos改进了J.McCartney等的方法,使展开后