复合材料自动铺带技术研究——曲面铺带轨迹算法

为满足自动铺带成型工艺要求,在自由曲面上规划预浸带轨迹。采用三角形网格划分逼近自由曲面方法,将商业CAD软件导出曲面的表面三角化数据格式（STL）文件用于曲面分析,对网格信息重构,建立点、边、面之间的关联信息。算法中应用“自然路径”原理在曲面上规划预浸带轨迹,研究了曲面边界处轨迹计算问题,提出了过三角形顶点出现“奇异性”问题的解决方法。通过在曲面上求解预浸带轨迹,证明了该算法的可行性。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

应用机器人自动铺丝技术成型卫星反射器面板

采用自动铺丝技术成型卫星反射器面板,通过机器人平台进行自动铺丝试验。根据反射器面板抛物线方程特性,采用等距偏移方法规划铺丝轨迹;通过分析自动铺放过程中铺放压力、铺放覆盖完整性以及铺放平整性对轨迹规划的要求,确定铺放压力为0.2 MPa、铺放丝束为4丝束。同时对机器人连杆机构及参数进行分析,基于CATIA软件DMU模块对铺丝轨迹进行仿真,并在26℃、16 mm/s铺放速度下通过自动铺放试验验证了反射器面板自动铺丝工艺成型的可行性。     

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。     

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...     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.     

具有孔洞和不规则边界的网格参数化技术

针对凸组合参数化方法难以处理具有孔洞的网格模型,以及对不规则边界的网格模型参数化的边界处变形较大的问题,提出了一种新的参数化方法,首先通过拟合变分隐式曲面修补网格上的孔洞,并构造出较规则的附加边界,最后采用凸组合参数化方法进行参数化.通过曲面拟合实验表明,该方法引入的附加数据作为曲面拟合数据,最终的拟合曲面在孔洞以及边界处具有较好的光顺性,且该方法已应用于复合材料成型模具快速设计中的参数化曲面构建.     

出流孔位置对带肋矩形通道换热特性的影响

为了获得涡轮叶片内冷带肋通道出流孔位置设计参数,采用热色液晶瞬态测量技术研究带有肋和单排溢流孔的内流通道的换热特性,分析出流孔位置对矩形通道壁面换热特性的影响规律。矩形内流通道进口雷诺数Re变化范围是6×104~8×104,通道总出流比Br为0.3~0.60,出流孔分别位于距前肋0.25,0.50,0.75倍肋距处。实验结果表明：出流孔和肋端附近换热得到强化,带肋和出流孔壁面换热最强。在不同孔位置下,带肋无出流孔壁面换热变化不大。出流孔位于肋后0.25倍肋距时,带肋和出流孔壁面和光滑面换热效果最好。     

活门型孔“化方为圆”算法

通过对航空发动机控制系统活门型孔的流量系数稳定性控制的方法进行研究,提出了一套能够将方形活门型孔转化为有规律排列组合小圆孔的算法,并通过实例验证了算法的正确性,同时转化误差小于0.7%,基本实现了工程意义上的等流量系数。该算法将加工工艺性差且计量精度低的方形活门型孔转化为有规律排列组合小圆孔,消除了方形型孔流量系数变化的影响,改变了活门型孔加工方法,减少了对人和环境的危害,提高了活门型孔的计量精度,减小了活门的液动力,具有极大的工程应用价值。 该算法可以实现将方形、梯形（含三角形）及其组合型孔等任意型孔的转化,具有工程上的普遍适用性。     

基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测

为了解决航空发动机涡轮叶片气膜孔几何特征参数有效检测手段缺乏、测量结果一致性差的问题,设计并搭建了基于 光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测系统,提出了利用该系统对涡轮叶片气膜孔进行测量的方法,通过试验进行了方法验 证。搭建的系统为多传感器测量系统,具备叶片接触与非接触测量、空间姿态定位及3D投影能力,实现了涡轮叶片全范围气模孔 的测量。在试验中,选取高压涡轮叶片作为被测物体,应用该测量系统对叶片上的气膜孔进行了测量,计算得到了气膜孔直径、轴 线角度及位置度的准确信息。结果表明：通过测量不确定度的分析评定可知,该系统对气膜孔直径、位置度的测量不确定度均小 于0.01 mm,完全满足设计公差对测量仪器的精度要求,可以用于涡轮叶片气膜孔工程化测量。     

二次法激光加工小孔技术

为了提高激光加工航空发动机气膜冷却孔质量,介绍了一种采用焦耳级脉冲能量毫秒激光在镍基高温合金上快速加工初始通孔,再采用毫焦耳级脉冲能量纳秒激光扩孔的二次加工小孔方法。通过该方法试图消除毫秒激光加工小孔产生的再铸层以及解决纳秒激光直接加工几乎无再铸层小孔效率低、深度有限的问题,从而实现更高效率加工高质量气膜冷却孔。试验研究结果表明,该方法可以有效去除毫秒激光加工小孔孔壁的再铸层,改善孔壁表面质量,与纳秒激光直接加工小孔比较,在加工1 mm左右深的小孔时可以提高加工效率,但加工2 mm以上深度的小孔时,对提高加工效率的作用不明显。基于试验结果及分析,对二次法加工小孔提出了改进措施。     

含孔边裂纹板的弯曲断裂计算

 采用复变函数理论和边界配置方法 ,对含孔边裂纹板的弯曲断裂进行了分析计算。首先假设挠度的复变函数式 ,进而可以求板的内力。它们能满足一系列的基本方程和支配条件 ,仅板的边界条件需要考虑 ,并且可用边界配置法和最小二乘法近似满足。对孔双边裂纹问题进行了应力强度因子计算。数值算例表明 ,本文方法精度较高 ,计算量小 ,是一种有效的半解析、半数值计算方法。     

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

电铸-电解组合法加工双向喇叭孔阵列

为解决双向喇叭形金属微小孔阵列的高效低成本制造难题,提出了一种基于镂空型惰性金属模板的、由电铸加工与掩模电解加工步骤串接而成的组合式加工方法。基于建立的数学模型,在证实该组合加工可行性的基础上,进一步仿真分析与试验研究了惰性金属模板结构参数对被加工孔阵列几何结构形状的影响规律,并进行了参数优选,数值分析与试验结果基本一致。研究结果表明:被加工孔阵列的几何特征参数严重受惰性金属模板结构参数的影响;采用大厚度、大于90°开口角的惰性金属模板有利于获得最小孔径更小且出入口廓形对称性更好的双向喇叭形孔;模板筋宽越小,越易于实现大孔深、高对称性的双向喇叭孔;模板孔径越大,喇叭孔金属层的极限厚度越大,但出入口廓形的对称性越差。此外,在小筋宽、90°开口角的惰性金属模板上更易电解加工生成""形喇叭孔。基于优化的惰性金属模板,能电铸-电解组合加工出出入口廓形对称性好的、最小孔径比被复制模板孔小的、网片厚度大且表面光滑的双向喇叭形金属微小孔阵列,其进出口的对称度、孔径偏差与出口相对于最小孔径的扩口率等分别为88.8%、9.7%和110.1%。