基于非等距偏置的纤维铺放路径规划算法

复合材料由于其高比强度、高比刚度、耐烧蚀、抗侵蚀等一系列优点,广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。纤维铺放是实现复合材料成型的主要方法之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术。为实现构件(特别是复杂结构件)的成型制造,必须将材料精确地铺放到芯模表面。针对上述问题,根据微分几何理论提出了一种面向复杂曲面的路径规划算法。在确定压辊位置和方向的前提下,利用平面-曲面求交构造初始路径,并通过非等距偏置以获得覆盖整个芯模的全部路径。该方法所生成的压辊路径,不仅可使纤维完全贴合到芯模表面,还包含了铺放系统所需的丝数信息,理论上实现了构件的精确铺放成型。通过在MATLAB中进行路径仿真,验证了所提纤维铺放路径规划算法的正确性与有效性。     

基于CATIA生成数控加工路径的机器人纤维铺放轨迹规划

纤维铺放轨迹规划是纤维铺放成型中控制加工路径的关键步骤,直接影响复合材料构件的成型精度和铺放效率。本文基于成熟的商业化CATIA数控加工编程软件进行纤维铺放轨迹计算,获取待处理的加工路径,利用矢量补充和格式转换算法解决了铺放轨迹信息与FANUC机器人兼容性差的问题;借助插值算法求出了输送点和剪断点,补充了铺放轨迹信息,进而得到了完整的铺放信息,缩短了开发周期。在基于FANUC机器人的铺放装备上对某飞机舱门进行铺放实验,验证了基于CATIA数控加工技术的纤维铺放轨迹生成方法具有可行性,铺放轨迹结束点位置误差及轨迹间距误差都在±0.5mm之内。     

复合材料铺丝成型中的路径规划

针对复合材料自动铺丝路径规划问题,提出了一种新的基于正交投影的铺丝路径生成算法.首先根据铺丝意图设计空间曲线,然后正交投影到铺丝面上,利用经典的微分几何方法建立特征投影曲线的微分方程,用数值方法求解得到铺丝面上数据点,并用B样条曲线拟合这些点即是铺丝参考线,再对其进行等距得到一条铺丝路径,进而得到所有路径.经过算例进行验证,该算法能实现任意方向的纤维铺放,满足铺丝技术工艺要求.应用本文的研究成果,在CATIA利用CAA中完成了自由曲面的铺丝路径仿真.     

复合材料纤维自动铺放过程碰撞干涉检测

基于七自由度复合材料纤维铺放机器人,对铺放过程中可能出现的碰撞干涉情况进行分析,建立了铺放机器人三维数字化模型,研究了基于实体布尔运算的碰撞干涉检测算法。基于CATIA CAA平台开发了碰撞干涉检测模块,集成于复合材料纤维自动铺放编程软件中,对某型飞机进气道的铺放过程进行了仿真,结果证明本文提出的算法可有效地检测碰撞与干涉。     

压辊材料及形状对纤维铺放压紧效果的影响

近年来纤维铺放（AFP）技术被广泛用于大型复杂飞机复合材料构件成型。为了保证纤维铺放过程的一致性,纤维铺放压辊必须在适应芯模型面的同时具有较好的压紧力分布均匀性。鉴于此,对不同弹性模量的压辊材料进行了试验分析,薄膜压力传感器及超声显微镜测试结果表明,低弹性模量的压辊材料变形较大,较好地适应了芯模表面,压力分布相对均匀且可以减少铺层的层间孔隙数量,硅橡胶压辊比聚乙烯压辊压紧力分布均匀性提高了50%~60%,铺层孔隙率降低了92.1%。针对孔隙分布主要集中在压辊两端及压紧力在压辊两端下降幅度较大的问题,采用ANSYS Workbench对压辊端部进行斜端面优化,得到最优倾斜角度为20°;测试结果表明斜端面压辊压力分布均匀性比直断面压辊提高了42.9%,铺层孔隙率下降了51.6%。     

管道曲面构件自动铺丝路径规划

提出了一种基于管道曲面广义螺旋线的铺丝路径生成算法,把芯模曲面的铺丝路径规划问题转化为求解该曲面上的广义螺旋线。利用管道曲面广义螺旋线算法,通过求解初值问题的一阶常微分方程组就可得到精确的位于芯模面上的铺丝路径。该算法具体计算可以利用功能强大的计算软件Matlab中的ODE45函数,该函数是基于自适应的4-5阶龙格-库塔算法,因而可构造具有相对误差以及绝对误差的控制机制的铺丝路径。经过算例验证,该算法操作简单,精度能够满足铺丝技术工艺要求。     

规则回转体自动铺丝轨迹规划与丝束增减

为满足自动铺丝轨迹的满铺覆性要求，针对现阶段自动铺丝轨迹规划存在的不足，提出了不同的丝束增减算法。首先讨论纤维铺放方向的确定和中心轨迹数量的计算，设计不同铺放方向轨迹的生成算法。然后以丝束重叠系数为重要参数，对于纤维局部堆积和空缺问题提出单侧纤维裁剪算法和双侧纤维裁剪算法，并对裁剪后的重叠区域和间隙区域进行面积求解，使得纤维丝束均匀覆于芯模表面。最后基于CATIA CAA二次开发平台，将上述算法集成到纤维铺放CAD系统中，通过运动仿真系统验证算法的正确性。利用提出的丝束增减算法，实现了间隙/重叠区的均匀分布，尽量降低了富树脂区等相关缺陷的聚集对性能的不良影响。     

圆筒状构件的多层铺丝路径生成算法

提出一种将空间曲线投影在芯模曲面上生成铺丝路径的方法以用于成型圆筒状复合材料构件.首先,在芯模外侧创建与铺丝路径相对应的特定曲线,然后将曲线按特定方向投影在指定的偏置曲面上,形成初始路径.为了使路径轨迹覆盖整个曲面,给出路径在曲面上的等距偏移方法.另外,对路径偏移中出现的缝隙给出了填补方法,并使偏移后的路径轨迹延伸至曲...     

复合材料自动铺丝路径生成技术研究

基于自主研制的七自由度铺丝机,研究具有芯模的封闭构件自动铺丝路径规划技术,设计了通用的铺丝路径生成算法,可生成任意角度的铺丝路径。     

基于角度与间距可控的纤维铺放轨迹规划

对于具有复杂封闭型面的零件,传统等距偏置纤维铺放轨迹规划算法难以同时保证轨迹角度及轨迹间距,使得实际纤维铺放角度与设计角度易产生偏差。为此提出了基于脊线式基准的等铺放角初始轨迹生成算法与测地线式等距偏置批量轨迹生成算法相结合的角度控制轨迹规划算法,此方法集成了等角生成算法产生初始轨迹精度高和等距偏置算法产生批量轨迹效率高的优点,并添加角度控制功能,保证每条轨迹都能满足角度范围要求,有效减小和消除了实际铺放轨迹和设计铺放轨迹之间的差异,在保证轨迹生成角度与间距的同时提高了批量轨迹生成效率。在此算法基础上,采用CATIA二次开发CAA技术和Visual Studio 2005平台开发了相应的软件,并对典型复杂构件S形进气道曲面算例进行了验证,证明了算法的有效性。     

单向碳纤维复合材料直角自由切削力的研究

以单向碳纤维复合材料(UCFRP)直角自由切削为研究对象,给出了纤维方向角0°~90°范围内的水平和垂直两方向切削力的理论计算方法。基于切削实验观察,发现在小切削厚度下,刀具刃口半径的作用应当考虑到切削力的计算中去。将切削区分为3个变形区分别计算切削力,总的切削力即为此3个变形区切削力之代数和。计算方法中考虑了刀具前角、刀具刃口半径、切削厚度、材料力学性能等多方面实际因素,发现纤维方向角、刀具前角、切削厚度等因素均对切削力的变化有较明显的影响。经计算值与实验数据对比,发现两者间有较好的一致性。     

Effect of variable-angle trajectory structure on mechanical performance of CF/PEEK laminates made by robotic fiber placement

In comparison to the traditional fixed-angle trajectory, the variable-angle trajectory has a greater design space. However, it is a challenge to determine which common design curve structure is the most effective for improving mechanical performance. This work explores the effects of various design curves such as fixed-angle curve, linear curve, arc curve, sine curve, Bezier curve, and cubic polynomial curve trajectories on mechanical performance of laminates, including vibration modal performan...     

纤维铺放设备中丝束增减控制方法及其比较

纤维铺放技术是实现复合材料"低成本"制造的重要手段之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术.铺放设备的丝束铺放工作主要由铺放头完成,因此丝束增减控制是铺放控制系统研究的重点.通过分析铺放头结构、铺放控制系统结构、单路丝束的工作循环和丝束在重送、切断、铺放状态下夹紧模块、重送模块、切断模块的工作情况,总结出丝束...     

开孔曲面自动铺放轨迹规划算法研究

为解决开孔曲面自动铺放轨迹规划问题,提出在前处理中将孔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.     

基于网格化曲面的自适应自动铺放轨迹算法

 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SQL Server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。