专利名称：一种复合材料铺层展开方法
技术领域：
本发明涉及一种用于编织复合材料数字化铺层展开方法，用于复合材料数字化制造领域，根据复合材料零件三维曲面得到二维展开毛坯。
背景技术：
复合材料复杂曲面展开方法是复合材料数字化设计、制造的关键环节，通过对复杂曲面的展开能得到复合材料铺层的精确毛坯形状，能够分析复合材料铺层设计的可行 性，并能直接用于数控下料，实现复合材料的设计、制造数字化。传统的复合材料铺贴下料时简单零件可按尺寸大小裁剪，复杂形状需先制作下料样板，按样板裁剪单向带或织物，然后手工铺覆到模具上，再裁掉多余料，经验性强，存在尺寸精度差、效率低、生产面积大、材料利用率低等缺点，已经不符合现代飞机数字化设计制造的特点。 国外有关复合材料的研究比较早，并且已经有一些先进的技术投入使用，带来了可观的经济效益，而国内有关研究起步较晚，还存在一定的差距。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种复合材料铺层展开方法，该方法能够根据零件的三维曲面形状快速准确得到复合材料织物铺层成形时候的下料毛坯。技术方案一种复合材料铺层展开方法，其特征在于步骤如下步骤I :采用通用的CAD软件建立零件的三维模型，对将要铺设的零件表面，采用通用的有限元前处理系统将曲面划分为离散的三角形网格；根据三角网格的拓扑关系，由三角形的三个点得到三角形的三条边，以及每一条边的顶点；然后去除冗余边，就得到网格曲面的边的集合，对每一条边两侧的三角形给予编号；当一条边只有一侧有三角形时，则该边的顶点为网格边界上的节点；步骤2 :计算三角形网格内部、除边界之外的每一个节点处的离散高斯曲率以及每个三角形上的法向量；三角网格上网格节点的离散高斯曲率ke按下式计算得到
权利要求
1.一种复合材料铺层展开方法，其特征在于步骤如下 步骤I :采用通用的CAD软件建立零件的三维模型，对将要铺设的零件表面，采用通用的有限元前处理系统将曲面划分为离散的三角形网格；根据三角网格的拓扑关系，由三角形的三个点得到三角形的三条边，以及每一条边的顶点；然后去除冗余边，就得到网格曲面的边的集合，对每一条边两侧的三角形给予编号；当一条边只有一侧有三角形时，则该边的顶点为网格边界上的节点； 步骤2 :计算三角形网格内部、除边界之外的每一个节点处的离散高斯曲率以及每个三角形上的法向量；三角网格上网格节点的离散高斯曲率ke按下式计算得到 J· 其中Θ ^是网格上过P点的两条边@^的夹角，Ep Ep1分别是边$ 的中点，;是P点的邻域的面积，Aj为四边形PE^Ep1的面积；当Θ j为锐角时，为三角形PPjPw的外心，当Θ j为直角或钝角时，Qj为的中点； 步骤3 :找出三角网格上离散高斯曲率绝对值最大的的网格节点Ptl，以Ptl点作为铺放起点，以经线纤维束的方向作为铺设扫描方向L以纤维织物上两条相邻纤维束之间的距离Cl1为基线上节点扫描步长； 步骤4 :以扫描方向;和铺设起点处的法向量;;的叉积^作为法向量，过Ptl点做平面S1 ；从起点处开始的平面剪切一个包含起点的三角形，得到平面S1与该三角形边的一个交点Q1，由第一步得到的边与三角形关系找到相邻的将要被剪切的三角形，并得到其与平面S1的交点Q2，一直向前搜索直到网格边界，得到一条折线LJQ1, Q2,……};以折线L1作为第一条基线，以g和铺设起点处的法向量A的叉积 作为法向量，过Ptl点得到平面S2,以平面S2与网格曲面的交线作为基线L2{Q' i，Q' 2，……}，两条基线将三角形网格曲面划分为四个区域； 步骤5 :从点Ptl开始，在折线L1, L2上，以步长d向前扫描，得到基线节点序列，得到网格曲面划分的四个区域中，起始的纬线纤维节点序列N^a = O…m)和经线纤维节点序列N0；J(j = O…η)； 步骤6 :在每一块区域上，循环调用对角节点铺设算法，如图6，当要铺设节点Nu时，能够找到已铺设在曲面上的节点Ni^1, Nh,」，Ni^1并计算得到 Ar- - + Ν— = —^ ，n = -K,-ι ’v = N id-Ν—ι丨，I - I! N-_Nh’ J-11 然后过Nmid点，以;;为法向量，确定一个截切平面S，以该平面与曲面相交得到一条曲线；在曲线上沿 方向找到一个距Nmid点距离为I的、所要求的纤维节点Ni,」，用该方法铺设每一条经线纤维TiQ = 1···ηι)上的节点序列\j(i = 1···πι, j = I…IV1),其中Iv1为上一条经线纤维束IV1上的节点数； 当铺设每一条经线纤维时遇到边界时，则停止并开始铺设下一条经线纤维；当采用对角节点铺设结束还未到边界时进行，则转到步骤7 ;经线纤维Tm铺设完成后检查是否有空留取区，若无则结束铺设，若有则转到步骤7 ;当四个区域均铺设完成，结束铺设过程；步骤7 :采用扩展节点铺设方法铺设到边界再开始进行下一条经线的铺设，当Ni, J1缺失时v = Ni-i'j ~ 'n =vxu i为曲面在NiU处的法向量；过点，以;;为法向量，确定一个截切平面S'，该平面与曲面相交得到一条曲线，在曲线上沿I；方向向前扫描，找到一个距Nuj点距离为纤维编织布上相邻纬纱之间距离Cl1的、所求的纤维节点Ni,」；当Np1,」缺失的时候， v = Nij-i-Ni,j-2，/ = V，XW 为曲面在Ni^处的法向量。过Ni^点，以；;为法向量，确定一个截切平面S"，该平面与曲面相交得到一条曲线，在曲线上沿 方向向前扫描，找到一个距Ni,η点距离为纤维编织布上相邻经纱之间距离d2的点，该点就是所求的纤维节点Niij ； 步骤8 :根据每一个纤维节点Niij所在的区域以及其相应的经线纤维束和纬线纤维束编号i，j，得到其在平面上的坐标N' u ;铺设起始点N"为展开二维平面的原点，区域A对应展开平面的第一象限，Ni;j映射到平面上的坐标为N' u (Wd1, j*d2，O);区域B对应展开平面的第二象限，Ni；J映射到平面上的坐标为N' i；J (-I^d1, J'*d2, O);区域C对应展开平面的第三象限，映射到平面上的坐标为K_j*d2，O);区域D对应展开平面的第四象限，映射到平面上的坐标为N' u (Wdp-^d2, O)。连接相应的节点N' u，则得到未变形的经线纤维及纬线纤维，从而得到复杂曲面的展开毛坯。
全文摘要
本发明涉及一种复合材料铺层展开方法，技术特征在于采用车比雪夫网模型(Tchebychev Net)及弹簧模型相结合的方法，实现了复合材料复杂曲面的快速准确展开，模拟结果比传统的几何展开方法更准确；节点扫描时采用局部搜索算法，时间复杂度降低为常数；采用扩展节点铺设方法，消除了双基线方法产生的铺设空留区。
文档编号G06F17/50GK102867082SQ20121031228
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者吴建军, 邓良才, 张深 申请人:西北工业大学