專利名稱：一種復(fù)合材料鋪層展開方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于編織復(fù)合材料數(shù)字化鋪層展開方法，用于復(fù)合材料數(shù)字化制造領(lǐng)域，根據(jù)復(fù)合材料零件三維曲面得到二維展開毛坯。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料復(fù)雜曲面展開方法是復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計、制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對復(fù)雜曲面的展開能得到復(fù)合材料鋪層的精確毛坯形狀，能夠分析復(fù)合材料鋪層設(shè)計的可行 性，并能直接用于數(shù)控下料，實現(xiàn)復(fù)合材料的設(shè)計、制造數(shù)字化。傳統(tǒng)的復(fù)合材料鋪貼下料時簡單零件可按尺寸大小裁剪，復(fù)雜形狀需先制作下料樣板，按樣板裁剪單向帶或織物，然后手工鋪覆到模具上，再裁掉多余料，經(jīng)驗性強，存在尺寸精度差、效率低、生產(chǎn)面積大、材料利用率低等缺點，已經(jīng)不符合現(xiàn)代飛機數(shù)字化設(shè)計制造的特點。 國外有關(guān)復(fù)合材料的研究比較早，并且已經(jīng)有一些先進的技術(shù)投入使用，帶來了可觀的經(jīng)濟效益，而國內(nèi)有關(guān)研究起步較晚，還存在一定的差距。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種復(fù)合材料鋪層展開方法，該方法能夠根據(jù)零件的三維曲面形狀快速準確得到復(fù)合材料織物鋪層成形時候的下料毛坯。技術(shù)方案一種復(fù)合材料鋪層展開方法，其特征在于步驟如下步驟I :采用通用的CAD軟件建立零件的三維模型，對將要鋪設(shè)的零件表面，采用通用的有限元前處理系統(tǒng)將曲面劃分為離散的三角形網(wǎng)格；根據(jù)三角網(wǎng)格的拓撲關(guān)系，由三角形的三個點得到三角形的三條邊，以及每一條邊的頂點；然后去除冗余邊，就得到網(wǎng)格曲面的邊的集合，對每一條邊兩側(cè)的三角形給予編號；當一條邊只有一側(cè)有三角形時，則該邊的頂點為網(wǎng)格邊界上的節(jié)點；步驟2 :計算三角形網(wǎng)格內(nèi)部、除邊界之外的每一個節(jié)點處的離散高斯曲率以及每個三角形上的法向量；三角網(wǎng)格上網(wǎng)格節(jié)點的離散高斯曲率ke按下式計算得到
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料鋪層展開方法，其特征在于步驟如下 步驟I :采用通用的CAD軟件建立零件的三維模型，對將要鋪設(shè)的零件表面，采用通用的有限元前處理系統(tǒng)將曲面劃分為離散的三角形網(wǎng)格；根據(jù)三角網(wǎng)格的拓撲關(guān)系，由三角形的三個點得到三角形的三條邊，以及每一條邊的頂點；然后去除冗余邊，就得到網(wǎng)格曲面的邊的集合，對每一條邊兩側(cè)的三角形給予編號；當一條邊只有一側(cè)有三角形時，則該邊的頂點為網(wǎng)格邊界上的節(jié)點； 步驟2 :計算三角形網(wǎng)格內(nèi)部、除邊界之外的每一個節(jié)點處的離散高斯曲率以及每個三角形上的法向量；三角網(wǎng)格上網(wǎng)格節(jié)點的離散高斯曲率ke按下式計算得到 J· 其中Θ ^是網(wǎng)格上過P點的兩條邊@^的夾角，Ep Ep1分別是邊$ 的中點，;是P點的鄰域的面積，Aj為四邊形PE^Ep1的面積；當Θ j為銳角時，為三角形PPjPw的外心，當Θ j為直角或鈍角時，Qj為的中點； 步驟3 :找出三角網(wǎng)格上離散高斯曲率絕對值最大的的網(wǎng)格節(jié)點Ptl，以Ptl點作為鋪放起點，以經(jīng)線纖維束的方向作為鋪設(shè)掃描方向L以纖維織物上兩條相鄰纖維束之間的距離Cl1為基線上節(jié)點掃描步長； 步驟4 :以掃描方向;和鋪設(shè)起點處的法向量;;的叉積^作為法向量，過Ptl點做平面S1 ；從起點處開始的平面剪切一個包含起點的三角形，得到平面S1與該三角形邊的一個交點Q1，由第一步得到的邊與三角形關(guān)系找到相鄰的將要被剪切的三角形，并得到其與平面S1的交點Q2，一直向前搜索直到網(wǎng)格邊界，得到一條折線LJQ1, Q2,……};以折線L1作為第一條基線，以g和鋪設(shè)起點處的法向量A的叉積 作為法向量，過Ptl點得到平面S2,以平面S2與網(wǎng)格曲面的交線作為基線L2{Q' i，Q' 2，……}，兩條基線將三角形網(wǎng)格曲面劃分為四個區(qū)域； 步驟5 :從點Ptl開始，在折線L1, L2上，以步長d向前掃描，得到基線節(jié)點序列，得到網(wǎng)格曲面劃分的四個區(qū)域中，起始的緯線纖維節(jié)點序列N^a = O…m)和經(jīng)線纖維節(jié)點序列N0；J(j = O…η)； 步驟6 :在每一塊區(qū)域上，循環(huán)調(diào)用對角節(jié)點鋪設(shè)算法，如圖6，當要鋪設(shè)節(jié)點Nu時，能夠找到已鋪設(shè)在曲面上的節(jié)點Ni^1, Nh,」，Ni^1并計算得到 Ar- - + Ν— = —^ ，n = -K,-ι ’v = N id-Ν—ι丨，I - I! N-_Nh’ J-11 然后過Nmid點，以;;為法向量，確定一個截切平面S，以該平面與曲面相交得到一條曲線；在曲線上沿 方向找到一個距Nmid點距離為I的、所要求的纖維節(jié)點Ni,」，用該方法鋪設(shè)每一條經(jīng)線纖維TiQ = 1···ηι)上的節(jié)點序列\(zhòng)j(i = 1···πι, j = I…IV1),其中Iv1為上一條經(jīng)線纖維束IV1上的節(jié)點數(shù)； 當鋪設(shè)每一條經(jīng)線纖維時遇到邊界時，則停止并開始鋪設(shè)下一條經(jīng)線纖維；當采用對角節(jié)點鋪設(shè)結(jié)束還未到邊界時進行，則轉(zhuǎn)到步驟7 ;經(jīng)線纖維Tm鋪設(shè)完成后檢查是否有空留取區(qū)，若無則結(jié)束鋪設(shè)，若有則轉(zhuǎn)到步驟7 ;當四個區(qū)域均鋪設(shè)完成，結(jié)束鋪設(shè)過程；步驟7 :采用擴展節(jié)點鋪設(shè)方法鋪設(shè)到邊界再開始進行下一條經(jīng)線的鋪設(shè)，當Ni, J1缺失時v = Ni-i'j ~ 'n =vxu i為曲面在NiU處的法向量；過點，以;;為法向量，確定一個截切平面S'，該平面與曲面相交得到一條曲線，在曲線上沿I；方向向前掃描，找到一個距Nuj點距離為纖維編織布上相鄰緯紗之間距離Cl1的、所求的纖維節(jié)點Ni,」；當Np1,」缺失的時候， v = Nij-i-Ni,j-2，/ = V，XW 為曲面在Ni^處的法向量。過Ni^點，以；;為法向量，確定一個截切平面S"，該平面與曲面相交得到一條曲線，在曲線上沿 方向向前掃描，找到一個距Ni,η點距離為纖維編織布上相鄰經(jīng)紗之間距離d2的點，該點就是所求的纖維節(jié)點Niij ； 步驟8 :根據(jù)每一個纖維節(jié)點Niij所在的區(qū)域以及其相應(yīng)的經(jīng)線纖維束和緯線纖維束編號i，j，得到其在平面上的坐標N' u ;鋪設(shè)起始點N"為展開二維平面的原點，區(qū)域A對應(yīng)展開平面的第一象限，Ni;j映射到平面上的坐標為N' u (Wd1, j*d2，O);區(qū)域B對應(yīng)展開平面的第二象限，Ni；J映射到平面上的坐標為N' i；J (-I^d1, J'*d2, O);區(qū)域C對應(yīng)展開平面的第三象限，映射到平面上的坐標為K_j*d2，O);區(qū)域D對應(yīng)展開平面的第四象限，映射到平面上的坐標為N' u (Wdp-^d2, O)。連接相應(yīng)的節(jié)點N' u，則得到未變形的經(jīng)線纖維及緯線纖維，從而得到復(fù)雜曲面的展開毛坯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料鋪層展開方法，技術(shù)特征在于采用車比雪夫網(wǎng)模型(Tchebychev Net)及彈簧模型相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了復(fù)合材料復(fù)雜曲面的快速準確展開，模擬結(jié)果比傳統(tǒng)的幾何展開方法更準確；節(jié)點掃描時采用局部搜索算法，時間復(fù)雜度降低為常數(shù)；采用擴展節(jié)點鋪設(shè)方法，消除了雙基線方法產(chǎn)生的鋪設(shè)空留區(qū)。
文檔編號G06F17/50GK102867082SQ20121031228
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者吳建軍, 鄧良才, 張深 申請人:西北工業(yè)大學(xué)