自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式，合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构，研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计，解决了铺放复杂曲面满覆盖问题；总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则，选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造，并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱；采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放；采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%，整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

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。     

基于结构设计的自调节铺放轨迹规划算法

通过分析预浸带/纱在曲面上的铺放工艺性,提出以轨迹测地曲率作为铺放工艺性测度,构建一种基于结构设计的自调节轨迹规划算法,兼顾自动铺放中的铺放工艺性和结构设计要求.该算法是在满足结构设计的前提下,将预浸带/纱轨迹从结构设计所确定的方向按特定方式向测地线方向偏转,从而减小预浸带/纱的变形.本文以固定角度法作为结构设计准则、以最大容许偏转角法定义修正函数,以此为例阐述具体算法及实施过程.基于Visual C++平台,进行C++和SQL混合编程,以某型进气道为模型进行了算法仿真,并进行了进气道和锥壳的铺放试验.结果表明:容许偏转角的增大有助于缓解预浸带/纱的变形.     

航空发动机复合材料叶片曲面可铺性研究

根据转子叶片的曲面特性和服役环境,开展了复合材料叶片曲面可铺性分析研究,提出了一种基于预浸料纤维变形及纤维铺放方向双约束的复杂曲面复合材料构件可铺性分析方法,该方法既满足了复合材料构件曲面铺放工艺性要求,同时又满足构件结构承载要求。基于CATIA Automation技术在Visual Basic 6.0平台上开发了相应软件模块,利用叶片模型仿真验证了该算法。     

基于变角度算法的复合材料翼梁自动铺丝

在采用固定角算法的复合材料"C"型翼梁自动铺丝试验中,预浸丝在翼梁的拐角区域出现严重的屈曲与皱褶。在分析了其原因的基础上,利用翼梁的结构和受力特点,使翼梁的自动铺丝轨迹尽量向测地线方向靠近,可以显著减小预浸丝在过拐角时的偏转角度,从而消除预浸丝的皱褶和屈曲。轨迹进入非可展翼梁曲面的缘条后,相邻预浸丝束间会出现无法通过自动增减纱动作进行控制的重叠或间隙,在拐角区域采用变角度轨迹设计方法消除微小的重叠或间隙,实现了"C"型翼梁的满覆性铺放,可减少缺陷,提高构件的力学性能。     

复合材料自动铺带技术研究(I)——“自然路径”特性分析及算法

分析了可展面上“自然路径”的几何本质,推演证明其在可展曲面上与测地线的等价性。应用和拓展可展面“自然路径”数值算法,在一般曲面上引入边界控制点调整预浸带中心点以减小预浸带变形、实现铺放,构造了一般曲面“自然路径”求解格式。     

复合材料自动铺带技术研究(Ⅰ)——"自然路径"特性分析及算法

分析了可展面上“自然路径”的几何本质，推演证明其在可展曲面上与测地线的等价性。应用和拓展可展面“自然路径”数值算法，在一般曲面上引入边界控制点调整预浸带中心点以减小预浸带变形、实现铺放，构造了一般曲面“自然路径”求解格式。     

复合材料自动铺带技术研究(III)——平面铺带CAD/CAM软件开发

根据所研制自动铺带样机的工作模式和结构特征,详细讨论了铺放平面凸多边形构件的自动铺放加工指令模型和算法,包括轨迹坐标生成与边界处理、考虑预切的切送带指令等。在Auto CAD平台上利用ObjectARX技术开发了相应CAD/CAM软件,具有自动指令生成、交互设计和图形仿真等功能;经实际铺放检验,该软件能够满足平面自动铺带的基本要求。     

复合材料自动铺带技术研究(Ⅲ)——平面铺带CAD/CAM软件开发

根据所研制自动铺带样机的工作模式和结构特征，详细讨论了铺放平面凸多边形构件的自动铺放加工指令模型和算法，包括轨迹坐标生成与边界处理、考虑预切的切送带指令等。在Auto CAD平台上利用Object ARX技术开发了相应CAD／CAM软件，具有自动指令生成、交互设计和图形仿真等功能；经实际铺放检验，该软件能够满足平面自动铺带的基本要求。     

温度对预浸料铺放效果的影响

为了有效控制自动铺带成型工艺参数,针对自动铺带成型工艺过程,分析了自动铺带成型过程中温度对预浸料铺放效果的影响.在一定的压力和速度作用下,根据温度对自动铺带过程中预浸料基体流动性的影响,提出了一种基于热弹性理论来计算预浸料形变的方法.针对预浸料的铺覆性和形变进行自动铺放试验,验证了在自动铺带过程中温度对预浸料黏附性和带...     

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。     

复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解

 提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法。首先探讨了铺放方向的确定，基于由芯模形心线得到的铺放参考线，针对沿0°，45°，90°这3种铺放情况，设计了具体的铺放路径生成算法。在此基础上，建立了纤维丝数与铺放路径间的对应关系，基于铺放路径的等距离线，提出并实现了一种纤维裁剪算法，使得复合材料纤维较为均匀地铺放在芯模表面。基于CATIA CAA，开发了相应软件模块。通过铺放过程的模拟，对本文算法进行了验证。     

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。     

Trajectory optimization of multiple quad-rotor UAVs in collaborative assembling task

A hierarchic optimization strategy based on the offline path planning process and online trajectory planning process is presented to solve the trajectory optimization problem of multiple quad-rotor unmanned aerial vehicles in the collaborative assembling task. Firstly, the path planning process is solved by a novel parallel intelligent optimization algorithm, the central force optimization-genetic algorithm (CFO-GA), which combines the central force optimization (CFO) algorithm with the genetic algorithm (GA). Because of the immaturity of the CFO, the convergence analysis of the CFO is completed by the stability theory of the linear time-variant discrete-time sys-tems. The results show that the parallel CFO-GA algorithm converges faster than the parallel CFO and the central force optimization-sequential quadratic programming (CFO-SQP) algorithm. Then, the trajectory planning problem is established based on the path planning results. In order to limit the range of the attitude angle and guarantee the flight stability, the optimized object is changed from the ordinary six-degree-of-freedom rigid-body dynamic model to the dynamic model with an inner-loop attitude controller. The results show that the trajectory planning process can be solved by the mature SQP algorithm easily. Finally, the discussion and analysis of the real-time per-formance of the hierarchic optimization strategy are presented around the group number of the waypoints and the equal interval time.     

圆锥面等测地曲率曲线的轨迹规划方法

为解决复合材料锥壳铺放过程中的纤维残余应变过大的问题,提出了等测地曲率曲线的轨迹规划方法。通过分析发现轨迹的测地曲率决定了纤维的残余应变,于是通过计算圆锥上任意曲线的测地曲率推导出了等测地曲率曲线的表达式,并证明在圆锥展开面上等测地曲率曲线是圆弧。最后,通过计算等测地曲率轨迹的残余应变及其与圆锥母线的夹角分析该轨迹铺放工艺性。结果表明:等测地曲率轨迹相较于固定角轨迹与测地线轨迹具有良好的可设计性和铺放工艺性。