复合材料铺丝成型中的路径规划

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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 复合材料铺丝成型中的路径规划 姓名:李善缘 申请学位级别:硕士 专业:航空宇航制造工程 指导教师:王小平 20090301 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 复合材料自动铺丝技术是一种新型复合材料自动化制造技术,具有加工成本低、速度快、 成品质量高、强度高等特点,在发达国家己广泛应用于航空航天领域,而我国相关研究与应用 则处于起步阶段。复合材料自动铺丝成型技术中铺丝轨迹的规划,即是复合材料纤维在芯模铺 丝面上的排列分布方式,是为了自动铺丝加工而设计的,主要解决铺丝头在芯模表面运动时的 路径问题。 本文就复合材料自动铺丝技术中的自动铺丝路径规划进行了相关研

2、究,主要完成了以下几 方面的工作: (1) 介绍了芯模构建中材料的选取和芯模制备,以及芯模在设计坐标下的定位方法,并讨 论了芯模构建的原则。 (2) 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。首先根据芯模面上的离散信息设计空间曲线,然后将其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得到铺丝参考线,这种铺丝路径可以实现任意角度的铺放。 (3) 提出了一种铺丝路径等距算法,对铺丝参考线进行等距得到下一条铺丝路径,进而得 到所有路径。经过算例进行验证,该算法能满足性能驱

3、动的铺丝及其技术工艺要求。 (4) 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。 关键词:关键词:复合材料,自动铺丝,正交投影,B 样条,仿真 复合材料铺丝成型中的路径规划 II Abstract Automatic Fiber Placement (FP) is a new manufacture technique to produce the affordable composite materials with low manufacture cost, high efficiency and good quality. FP has been w

4、idely applied in aerospace and aviation industry to produce complicated shaped components in developed countries. In China, FP study is just beginning now. Trajectory planning of Automatic Fiber Placement of composite materials is to arrange distribution methods of tows onto mould surface for design

5、ing of Automatic Fiber Placement and to create the trajectory of the fiber placement head onto mould surface. In this paper, trajectory planning of Automatic Fiber Placement is studied, which builds the base of the control for automated tow placements. The main contents are listed as follows: (1) Ma

6、terial selection and preparation of the mould surface in the mould surface structure, and positioning method of the mould surface in design coordinate system are introduced. Besides the principle of the mould surface structure is discussed. (2) Targeting at path planning for composite fiber placemen

7、t, a novel path generation algorithm based on orthogonal projection is proposed. Firstly, we design a continuous curve in 3D space by discrete information of mould surface and then project orthogonally it onto the mould surface. We derive a system of differential equations characterizing the project

8、ion curve and integrate it to obtain the projection curve described by a set of discrete points. Subsequently the initial path is created by fitting these discrete points with B-spine curve. The algorithm is designed to meet the requirement for arbitrary placement angles. (3) The offsetting algorith

9、m for path uniform coverage is proposed. Offsetting the initial path and hence offsetting the resulting path in turn, a uniform path coverage is constructed on the mould surface. The practical examples indicate that this algorithm can achieve property-driven fiber placement and meet the technical re

10、quirement of automatic fiber placement are readily satisfied. (4) At last the algorithms proposed above are verified through fiber placement process simulation in the CATIA with CAA. Key words: : Composite material,Fiber placement,Orthogonal projection,B-spine,Simulation 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图 1.1 某飞机的水平尾翼.3 图 1.2 波音 777 飞机尾翼蒙皮.3 图 1.3 双向自动铺带机.5 图 1.4 飞机进气道自动铺丝图.7 图 1.5 纤维铺放零件图形仿真.8 图 1.6 用计算机控制的七轴自动铺丝机器人.10 图 2.1 芯模转换过程示意图.13 图 2.2 芯模和铺丝头之间干涉.14 图 2.3 曲率过大造成的无法加工区域.15 图 3.1 正交投影曲线 .19 图 3.2 圆柱面铺丝参考线的生成.23 图 3.3 抛物面铺丝参考线的生成.23 图 4.1 铺丝过程中丝带的间隙和重叠.25 图 4.2 等距点计算 .27 图 4.3 铺丝过程流程图.

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