一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法

一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，该复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法采用模块化程序驱动法在虚拟三维环境中创建复合纤维缠绕体胶层三维实体模型的新方法；依据复合纤维缠绕产品的绕制过程，采用归一化曲线方程计算缠绕纤维胶层上每个定位控制点的三维空间坐标参数，结合三维设计环境特征操作的方法实现建模；同时解决了复合纤维缠绕胶层仿真时由于复合纤维在跃层/跨圈的部位产生的胶层定位控制点坐标变位、空间曲线分段拼接的问题。本发明能够创建任意绕丝长度的复合纤维缠绕粘接胶层模型并与实际复合纤维缠绕胶层产品具有很高的相似性；复合纤维缠绕胶层三维模型对缠绕芯轴的轴体锥度适应范围大，尺寸精度高。
【专利说明】-种复合纤维可变维度缠绕胶层模型的建立方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机图形学和H维实体建模【技术领域】，尤其涉及一种复合纤维缠绕 可变锥度胶层模型的建立方法。

【背景技术】
[0002] 复合纤维缠绕成型是将连续的纤维浸溃树脂胶液后，在固定张力的作用下，按照 预定的相对运动规律缠绕到芯轴上，待固化成型后形成具有特定形状的纤维缠绕制品。常 见的复合纤维缠绕产品一般是具有轴对称形状的圆柱型或圆锥型。常用的制造方法是按照 螺旋线的运动轨迹在芯轴上缠绕纤维。运动规律是芯轴绕其中轴线匀速转动，绕丝头按特 定速度沿芯轴轴线方向往返运动，从而在芯轴的筒体上实现螺旋缠绕。复合纤维缠绕制品 广泛应用在军民产品上，特别对于高负载、高压等特殊环境具有严格的技术要求。因此需要 对复合纤维缠绕制品的尺寸参数、各节点的应力、变形分布等在不同温度条件下进行有限 元分析。而胶层在复合纤维缠绕产品中起到复合纤维间的粘和作用。与复合纤维一起构成 多种材料的复合体，热应力复杂。由于目前没有可靠的分析测试软件，复合纤维缠绕产品的 缠绕参数完全依靠设计人员的经验来确定。该种生产方式导致缠绕产品的生产效率低下， 成品率不高。急需开发一种复合纤维缠绕产品的建模和分析测试软件来满足工程实际的需 要。
[0003] H维实体模型是进行有限元分析的基础，只有建立满足高仿真要求的H维实体模 型才能为后续的各种有限元数值分析提供高质量的分析对象，提高后续仿真计算的精度。 本发明提出的方法能够依据用户的输入参数自动生成需要的复合纤维缠绕产品胶层模型， 提高了设计效率。同时该方法能够最大程度的模拟复合纤维在缠绕过程中出现的各种线缆 交叉情况，包括跃层交叉和变圈交叉等。使得模拟的H维缠绕胶层产品H维实体模型的外 形尺寸与实际产品近似程度较高。
[0004] 现有技术中，复合纤维缠绕胶层模型的生成依据缠绕芯轴的芯轴锥度可W分为圆 柱型复合纤维缠绕产品胶层模型和圆锥型复合纤维缠绕产品胶层模型。由于复合纤维缠绕 产品绕丝长度一般要求在数公里乃至数十公里W上，因此生成此种类模型的难度很大。


【发明内容】

[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法， 旨在解决现有技术中，复合纤维缠绕胶层模型的生成依据缠绕体的芯轴锥度可W分为圆柱 型复合纤维缠绕胶层产品和圆锥型复合纤维缠绕胶层产品，由于复合纤维缠绕产品绕丝长 度一般要求在数公里乃至数十公里W上，因此生成此种类模型难度很大的问题。
[0006] 本发明实施例是该样实现的，一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法， 该复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，W圆柱螺旋方程为基础函数结合计算机H 维图形变换算法实现缠绕胶层模型中也线的快速计算，并在H维设计环境中创建依次通过 全部定位控制点的中也线，根据定位控制点的坐标参数计算出每层胶层的轴向截面中也线 并生成具有一定厚度的圆柱/圆锥型未切除的胶层实体模型，然后w中也线为引导线对圆 柱/圆锥型薄壁基础胶层模型进行切除操作生成H维复合纤维胶层产品模型。
[0007] 进一步，该复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法具体包括W下步骤： 步骤一、W圆柱螺旋线方程为计算复合纤维缠绕模型中也线定位控制点的基础方程； 步骤二、采用自定义二维链表数据结构构成网状数据集合，用W保存中也线定位控制 点上的坐标信息W及坐标点之间的逻辑关系； 步骤H、采用插入多个共轴参考基准面和过渡段定位控制点，并按照曲线关系计算出 的定位控制点与参考基准面一一对应旋转变换的办法，将定位控制点向参考基准面参照缠 绕轴也进行H维空间旋转变换，从而实现过渡段中也线的创建； 步骤四、W计算机图形变换算法计算满足预定义椎体锥度的圆锥螺旋线复合纤维缠绕 模型； 步骤五、计算相邻层之间的胶层厚度，W相邻的两层复合纤维轴向截面圆的切点为胶 层轴向截面的中也线的定位控制点，并W相邻层复合纤维截面圆也距离为参数生成相邻层 之间具有一定厚度的未进行切除操作的胶层； 步骤六、W生成的圆柱/圆锥螺旋中也线为引导线，复合纤维截面为轮廓对胶层进行 切除操作生成复合纤维缠绕胶层的模型。
[0008] 进一步，当步骤一中，计算出初始状态的圆柱螺旋线时，步骤二中，将计算出来的 圆柱螺旋线中也线定位控制点的坐标信息和逻辑关系保存到自定义的数据集合中。
[0009] 进一步，步骤H中，根据设计精度的要求，在螺旋中也线跃层/跨圈部位连接曲线 的轴向基准面投影线上插入若干个定位控制点，并按照与插入定位控制点一一对应的关系 插入若干个共轴基准面，按照复合纤维纤维缠绕时的实际形态和近似曲线计算出插入定位 控制点的坐标参数，并向对应的插入基准面旋转形成新的定位控制点。在H维设计空间中， 将新生成的定位控制点用曲线连接起来形成新的缠绕胶层曲线中也线，实现复合纤维缠绕 胶层时在跃层/跨圈部位的相互避让。
[0010] 进一步，步骤四中，根据要求需要计算圆锥型螺旋线缠绕胶层模型时，要将步骤H 中保存的数据集合进行计算机图形变换，变换方式为首先进行轴向基准面旋转变换、坐标 系平移变换、定位控制点W原点为参考点的旋转变换、坐标系平移逆变换和基准面旋转逆 变换，得到满足锥度要求和尺寸要求的圆锥螺旋线复合纤维缠绕胶层模型。
[0011] 进一步，步骤四中，根据要求需要计算圆柱型螺旋线缠绕胶层模型时，则不进行计 算机图形变换，在步骤二中保存的数据满足圆柱螺旋线的尺寸要求。
[0012] 进一步，调整过渡段的圆柱/圆锥螺旋中也线计算相邻层复合纤维轴向截面圆之 间的切点，然后将该些切点连接起来构成胶层轴向截面的中也线，W此中也线为基础生成 厚度为复合纤维层间厚度的未切除胶层模型。
[0013] 进一步，在H维环境中，W未切除胶层模型为对象，W圆锥螺旋线为引导线，W复 合纤维截面圆为轮廓对胶层模型进行切除生成复合纤维缠绕胶层模型。
[0014] 本发明提供的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，采用模块化程序驱动 法在虚拟H维环境中创建复合纤维缠绕产品粘接胶层H维实体模型的新方法；依据复合纤 维缠绕胶层的缠绕过程，采用归一化曲线方程计算缠绕纤维胶层上每个定位控制点在H维 空间中的坐标，结合H维设计环境特征操作的方法实现建模；同时解决了纤维缠绕胶层仿 真时由于复合纤维在跃层/跨圈的部位产生的胶层控制点坐标变位、空间曲线分段拼接的 问题。本发明能够创建任意长度复合纤维缠绕胶层模型并与实际复合纤维缠绕胶层产品具 有很高的相似性；复合纤维缠绕胶层模型对芯轴体锥度适应范围大，尺寸精度高。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是本发明实施例提供的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法的流程 图； 图2是本发明实施例提供的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法的实现流程 图； 图3是本发明实施例提供的复合纤维缠绕胶层模型定位控制点网络图； 图4是本发明实施例提供的复合纤维缠绕胶层模型跃层部位层间关系图； 图5是本发明实施例提供的复合纤维缠绕胶层模型跃层和跨圈中也线轨迹图。

【具体实施方式】
[0016] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0017] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0018] 如图1所示，本发明实施例的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法包括W 下步骤： 5101 圆柱螺旋线方程为计算复合纤维缠绕模型中也线定位控制点的基础方程； 5102 ;采用自定义二维链表数据结构构成网状数据集合，用W保存中也线定位控制点 上的坐标信息W及坐标点之间的逻辑关系； S103;采用插入多个共轴参考基准面和过渡段定位控制点，并按照曲线关系计算出的 定位控制点与参考基准面一一对应旋转变换的办法，在H维环境中实现过渡段中也线的创 建； 5104 ; W计算机图形变换算法计算满足预定义椎体锥度的圆锥螺旋线复合纤维缠绕模 型； 5105 ;计算相邻层之间的胶层厚度，W相邻的两层复合纤维轴向截面圆的切点为胶层 轴向截面的中也线的定位控制点，生成相邻层之间未进行切除操作的胶层； 5106 生成的圆柱/圆锥螺旋中也线为引导线，复合纤维截面为轮廓对胶层进行切 除操作生成复合纤维缠绕胶层的模型。
[0019] 在步骤S101中，计算出初始状态的圆柱螺旋线时，步骤S102中，将计算出来的圆 柱螺旋线中也线定位控制点的坐标信息和逻辑关系保存到自定义的数据集合中； 步骤S103中，根据设计精度的要求，在螺旋中也线跃层/跨圈部位连接曲线的轴向基 准面投影线上插入若干个定位控制点，并按照与插入定位控制点一一对应的关系插入若干 个共轴基准面。按照复合纤维纤维缠绕时的实际形态和近似曲线计算出插入定位控制点的 坐标参数，并向对应的插入基准面投影形成新的定位控制点。将新生成的定位控制点用曲 线连接起来形成新的缠绕胶层曲线中也线。可W实现复合纤维缠绕胶层时在跃层/跨圈部 位的相互避让。
[0020] 步骤S104中，根据要求需要计算圆锥型螺旋线缠绕胶层模型时，要将步骤S103中 保存的数据集合进行计算机图形变换。变换方式为首先进行轴向基准面旋转变换、坐标系 平移变换、定位控制点W原点为参考点的旋转变换、坐标系平移逆变换和基准面旋转逆变 换，可W得到满足锥度要求和尺寸要求的圆锥螺旋线复合纤维缠绕胶层模型； 步骤S104中，根据要求需要计算圆柱型螺旋线缠绕胶层模型时，则不进行计算机图形 变换。在步骤S103中保存的数据满足圆柱螺旋线的尺寸要求。
[0021] 步骤S105中，调整过渡段的圆柱/圆锥螺旋中也线计算相邻层复合纤维轴向截面 圆之间的切点，然后将该些切点连接起来构成胶层轴向截面的中也线，W此中也线为基础 生成厚度为复合纤维层间厚度的未切除胶层模型。
[0022] 步骤S106中，圆锥螺旋线为引导线，W复合纤维截面圆为轮廓对胶层模型进行切 除可W生成复合纤维缠绕胶层模型。
[0023] 本发明W圆柱螺旋曲线为基础函数结合计算机图形变换算法实现缠绕胶层模型 中也线的快速计算，并在H维设计环境中W中也线定位控制点为基础绘制螺旋形切除轨迹 中也线，然后计算出胶层轴向截面中也线生成未切除的圆柱/圆锥型胶层H维模型，最后 对胶层模型进行切除生成H维复合纤维胶层产品模型。
[0024] 本发明的具体步骤为： 本发明W VC为开发工具、SolidWorks为开发平台设计一种基于计算机图形变换的归 一化圆柱/圆锥螺旋缠绕胶层模型构造方法。该种方法能够快速实现H维缠绕胶层模型的 构造，简化模型的设计过程，其设计流程如图2所示。
[0025] 本发明中创建复合纤维缠绕胶层H维实体模型的基本路线是首先构建复合纤维 的中也线控制点坐标参数，然后采用在Soli抓orks H维软件中扫描切除或放样切除的方 法生成H维实体模型。因此能否顺利的构建缠绕模型的多层螺旋形中也线成为决定性的 条件。创建模型需要完成H个步骤；①基于计算机图形学的模块化函数变换；②组建定 位控制点网络；③特殊定位控制点变位的问题；④基于计算机图形学的模块化函数变换； 复基础胶层的创建和切除操作，具体包括W下步骤： 步骤一，基于计算机图形学的模块化函数变换： 首先由于实际的复合纤维缠绕体的绕丝长度很长，一般要达到十几或几十公里，因此 在设计圆柱/圆锥缠绕模型的H维螺旋中也线时不可能依靠手工输入的方式输入H维曲 线的定位控制点。必须按照设计要求采用合适的数学公式生成全部的定位控制点。
[0026] 步骤二，定位控制点参数信息网络： 复合纤维缠绕胶层模型的中也线定位控制点的数据存储和表达在整个参数化设计过 程中起着重要的作用，后续的各种计算过程都要根据定位控制点上保存的信息来进行。定 位控制点的信息不仅保存坐标信息，而且还保存所在层圈的信息。除了定位控制点本身的 信息外，还要保存定位控制点之间的逻辑关系信息。
[0027] 步骤H，跃层与跨圈的节点控制： 在设计复合纤维缠绕胶层模型的H维实体模型时除了创建多层的缠绕复合纤维外，还 需要解决H维实体模型如何模拟纤维缠绕过程中的两个问题：①跃层干扰是当线缆由第n 层向第n+1层过渡时，由于H维软件无法自动识别纤维交错时的干涉问题，就会出现纤维 之间相互干涉的问题。②跨圈干扰是在生成缠绕模型时当纤维由第m圈向第m+1圈过渡时， 同样会出现纤维间的干涉问题。
[0028] 步骤四，基于计算机图形学的模块化函数变换： W计算机H维图形变换算法将中也线坐标控制点集合排列规则由圆柱型变换为满足 预定义椎体锥度的圆锥型数据集合。
[0029] 步骤五，基础胶层的创建和切除操作： 复合纤维之间的粘接胶层是采用对处于相邻缠绕层之间厚度为相邻层间距离的圆柱/ 圆锥体进行切除实现的。切除操作的轨迹是前步生成的螺旋线，轮廓是复合纤维的轴向截 面圆。
[0030] 上述步骤一中，采用圆柱/圆锥螺旋线归一化方程作为纤维缠绕胶层模型中也线 的数学模型，当创建圆锥型复合纤维缠绕胶层模型时，圆锥螺旋线方程由圆柱螺旋线方程 经过坐标变换与计算机图形变换得到。采用该种模型可W方便的计算出复合纤维上各个采 样点的坐标参数，然后转化为圆锥螺旋线。而且在后续的纤维缠绕误差仿真中便于计算有 缠绕缺陷复合纤维采样点的坐标参数。
[0031] 上述步骤二中，采用改进的二维双向循环链表的形式组织各个节点之间的关系。 节点的类型包括H种类型：①起始结点②层始结点和③定位控制点H种类型。其中起始节 点保存复合纤维缠绕胶层模型总长度，层数和圈数等信息；层始结点包括前驱和后续层的 逻辑关系和本层首节点的坐标信息等内容；定位控制点结点包括本控制点坐标信息、所在 层号、所在圈号和相关指针信息等内容。本发明所创建二维双向循环链表，其特点包括：每 层的始节点之间设置双向链表，指向层始结点的指针可W快速定位到本层的前驱层和后续 层；每层的各个定位控制点节点之间设置了指向前驱和后继的指针，指向该控制节点的指 针可W快速定位到本节点的前驱和后继节点；为了方便数据的遍历另外设置了依次从第一 个定位控制点结点到最后一个定位控制点结点的单向遍历指针，数据集合如图3所示。
[0032] 在本发明创建的定位控制点逻辑结构中，由指向缠绕层的起始结点的指针控制当 前访问的层的位置，由指向定位控制点的指针通过读取定位控制点的所在圈数编号就可W 判断当前点是否处在跨圈位置还是处于正常缠绕的位置。访问控制节点的序号属性能够提 供当前定位控制点相对于基准参考面的定位角度。该样对于复合纤维缠绕胶层模型中的每 一个定位控制点都能够控制其位置，并根据需要进行定位和调整。文中采用的数据集合具 有较强的扩展性，能够根据需要对层初始结点和定位控制点结点添加额外的属性，方便开 发人员对模型进行更深层次的控制。
[0033] 上述步骤H中，解决该两种问题的方法是在第n层的末节点和第n+1层的始结点 之间W及第m圈的末节点和第m+1圈的动态的插入若干个临时定位控制点，由该些临时加 入的定位控制点引导曲线进行相互之间的避让，避免出现干涉的情况。
[0034] 对于跃层部位的定位控制点修正，需要确定该些定位控制点所在的控制曲线，跃 层部位的投影关系如图4所示。图4中第i层的末结点与第i+1层的始结点之间空间关系 为，相对于缠绕胶层模型的旋转轴两个定位控制点分别与旋转轴构成的参考面之间的夹角 为0。首先可W在两个基准面之间插入若干个新的中间基准面Ji(i=l?脚。然后将相邻层 的始末节点投影到同一基准面上，结果如图5所示，由于纤维具有一定的刚度并且在缠绕 的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将中也线的轨迹描述为由H段线段组成，其 中包括两端的圆弧线段和中间的直线段。两段圆弧线段分别；是从第i层的末节点到中间 结点A和从中间结点B到第i+1层始结点之间的圆弧线段，因为线缆在缠绕时受到拉力作 用在该两段是绕着其他纤维的外表面移动。从中间结点A到B之间是直线段，线段在跨越 下层若干圈时不会陷入逐圈之间的沟道。确定中也线轨迹后将该轨迹向中间基准面Jk上进 行投影。每个基准面上投影一个点，最后将全部的投影点连接起来形成新的中也线轨迹。 [00巧]对于跨圈的部位处理方法与跃层的类似，在如图5所示的第i+1层第1圈的末节 点和第i+1层第2圈的始结点之间插入若干个等分基准面，然后将始末节点之间通过中间 结点的跨圈部位的中也线向基准面族上逐点投影。最后将该些投影点连接起来形成新的中 也线。
[0036] 上述步骤四中，满足圆柱螺旋线方程的数据集合eCp，刮任意定位控制点M在 U，Y)平面上有一投影点N，为实现圆柱曲线向圆锥曲线转换，首先将X0Z平面绕Z轴旋转 至与N点重合处；变换矩阵为Tsw 。当复合纤维缠绕体的锥度变化时由于复合纤维模型的直径不变性，则点M到点N之 间的距离不变，也就是点M绕点N在新的X0Z平面内旋转了 r角度。在计算点M旋转后的 坐标时需要将坐标轴平移到点N处，变换矩阵为Ti ;其次进行旋转变换，变换矩阵为Ta ;再 次将坐标系移回原点，变换矩阵为Ts。最后将X0Z平面返回初始位置，变换矩阵为Tj：snr。 因此满足圆锥螺旋曲线的点坐标参数都可W采用对圆柱螺旋线上的点进行计算机图形变 换的方法计算出来。当创建圆柱型复合纤维缠绕模型时，则不进行几何图形变换。
[0037] 上述步骤五中，由复合纤维缠绕模型中也线的定位控制点，可W逐层计算出胶层 的轴向截面中也线，并且可W逐层计算出胶层的厚度参数，根据胶层的中也线和厚度参数 可W逐层创建胶层模型，然后对其进行切除操作生成最终的复合纤维缠绕胶层模型。
[0038] 与现有技术相比，本发明的优点是；①本发明中提出的复合纤维胶层数学模型和 定位控制点计算方法具有控制点坐标计算简单；对缠绕体锥度参数适应范围大；定位控制 点间逻辑关系表示全面的优点。该方法将较为复杂的求解圆锥体曲线坐标转换为求解圆柱 曲线坐标W及一系列的计算机图形变换的结果，为后续的缠绕体缺陷模拟和力学分析提供 了良好的数据与逻辑关系支持。②本文采用的程序驱动方法完全可W实现任意长度尺寸要 求的复合纤维缠绕胶层模型的创建，为后续的数值分析提供了质量较好的分析模型，长度 的极限值只受软件和计算机的性能影响。
[0039] 结合W下的实施例对本发明的应用效果做进一步的说明： 实施例1 ; 一种基于圆柱螺旋曲线和计算机图形变换的构建复合纤维缠绕胶层模型的 方法，包括下述步骤： 步骤一；根据复合纤维缠绕产品的设计要求确定圆柱体螺旋线方程的直径和螺旋线轴 向长度，然后由圆柱体螺旋线方程结算出复合纤维缠绕模型中也线全部定位控制点的坐标 值； 步骤二：创建如图3所示的复合纤维中也线定位控制点的网状数据集合，其中保存由 圆柱型螺旋线计算出的全部中也线定位控制点的坐标参数W及定位控制点之间的逻辑关 系； 步骤H;对于跃层/跨圈部位的定位控制点修正，需要在跃层/跨圈部位均匀插入若干 定位控制点和相同数量的共轴基准面，基准面过Z轴和一个定位控制点，由于纤维具有一 定的刚度并且在缠绕的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将跃层部位的中也线的 轨迹描述为由H段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中也 线定义为一段圆弧，由于插入的定位控制点均匀分布，通过圆弧和直线段的方程可W计算 出新插入点的坐标参数，然后向对应的基准面上投影并将插入的定位控制点加入到已有的 定位控制点数据集合中； 步骤四：对于圆锥型复合纤维缠绕模型，对于在网状数据集合 中保存的任意定位控制点M在（X，Y)平面上有一投影点N，为实现圆柱曲线向圆锥曲线 转换，首先将XOZ平面绕Z轴旋转至与N点重合处；变换矩阵为TW，当复合纤维缠绕体的 锥度变化时由于复合纤维模型的直径不变性，则点M到点N之间的距离不变，也就是点M绕 点N在新的XOZ平面内旋转了 r角度，在计算点M旋转后的坐标时需要将坐标轴平移到点N 处，变换矩阵为Ti ;其次进行旋转变换，变换矩阵为T,;再次再将坐标系移回原点，变换矩 阵为Ts，最后将XOZ平面返回初始位置，变换矩阵为"tW，据此可W计算出复合纤维缠绕 体的圆锥型中也线； 步骤五；W计算出的圆柱/圆锥螺旋线为基础计算相邻缠绕层复合纤维截面圆之间的 切点，将切点之间的连线作为胶层的轴向截面中也线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离 的基础胶层模型，然后W圆柱/圆锥螺旋线为引导线，复合纤维截面圆为轮廓对基础胶层 模型进行切除操作，生成复合纤维缠绕体的胶层模型。
[0040] 实施例2 ;-种基于圆柱螺旋曲线和计算机图形变换的构建复合纤维缠绕胶层模 型的方法： 步骤一：根据复合纤维缠绕产品的设计要求确定圆柱体螺旋线方程的间距，然后由圆 柱体螺旋线方程结算出复合纤维缠绕模型中也线全部定位控制点的坐标值； 步骤二：创建如图3所示的复合纤维中也线定位控制点的网状数据集合，其中保存由 圆柱型螺旋线计算出的全部中也线定位控制点的坐标参数W及定位控制点之间的逻辑关 系； 步骤H;对于跃层/跨圈部位的定位控制点修正，需要在跃层/跨圈部位均匀插入若干 定位控制点和相同数量的共轴基准面，基准面过Z轴和一个定位控制点，由于纤维具有一 定的刚度并且在缠绕的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将跃层部位的中也线的 轨迹描述为由H段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中也 线定义为一段圆弧，由于插入的定位控制点均匀分布，通过圆弧和直线段的方程可W计算 出新插入点的坐标参数，然后向对应的基准面上投影并将插入的定位控制点加入到已有的 定位控制点数据集合中； 步骤四：对于圆锥型复合纤维缠绕模型，对于在网状数据集合 中保存的任意定位控制点M在（X，Y)平面上有一投影点N，为实现圆柱曲线向圆锥曲线 转换，首先将X0Z平面绕Z轴旋转至与N点重合处；变换矩阵为TW，当复合纤维缠绕体的 锥度变化时由于复合纤维模型的直径不变性，则点M到点N之间的距离不变，也就是点M绕 点N在新的XOZ平面内旋转了 r角度，在计算点M旋转后的坐标时需要将坐标轴平移到点N 处，变换矩阵为Ti ;其次进行旋转变换，变换矩阵为T,;再次再将坐标系移回原点，变换矩 阵为Ts，最后将XOZ平面返回初始位置，变换矩阵为rW，据此可W计算出复合纤维缠绕 体的圆锥型中也线； 步骤五；W计算出的圆柱/圆锥螺旋线为基础计算相邻缠绕层复合纤维截面圆之间的 切点，将切点之间的连线作为胶层的轴向截面中也线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离 的基础胶层模型，然后W圆柱/圆锥螺旋线为引导线，复合纤维截面圆为轮廓对基础胶层 模型进行切除操作，生成复合纤维缠绕体的胶层模型。
[0041] 实施例3 ;-种基于圆柱螺旋曲线和计算机图形变换的构建复合纤维缠绕胶层模 型的方法： 步骤一：根据复合纤维缠绕产品的设计要求确定圆柱体螺旋线方程的直径、螺旋线轴 向长度和螺旋线间距，然后由圆柱体螺旋线方程结算出复合纤维缠绕模型中也线全部定位 控制点的坐标值； 步骤二：创建如图3所示的复合纤维中也线定位控制点的网状数据集合，其中保存由 圆柱型螺旋线计算出的全部中也线定位控制点的坐标参数W及定位控制点之间的逻辑关 系； 步骤H;对于跃层/跨圈部位的定位控制点修正，需要在跃层/跨圈部位均匀插入若干 定位控制点和相同数量的共轴基准面，基准面过Z轴和一个定位控制点，由于纤维具有一 定的刚度并且在缠绕的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将跃层部位的中也线的 轨迹描述为由H段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中也 线定义为一段圆弧，由于插入的定位控制点均匀分布，通过圆弧和直线段的方程可W计算 出新插入点的坐标参数，然后向对应的基准面上投影并将插入的定位控制点加入到已有的 定位控制点数据集合eCP，J〇中； 步骤四：对于圆锥型复合纤维缠绕模型，对于在网状数据集合 中保存的任意定位控制点M在（X，Y)平面上有一投影点N，为实现圆柱曲线向圆锥曲线 转换，首先将X0Z平面绕Z轴旋转至与N点重合处；变换矩阵为TW，当复合纤维缠绕体的 锥度变化时由于复合纤维模型的直径不变性，则点M到点N之间的距离不变，也就是点M绕 点N在新的X0Z平面内旋转了 r角度，在计算点M旋转后的坐标时需要将坐标轴平移到点N 处，变换矩阵为T,;其次进行旋转变换，变换矩阵为Tg ;再次再将坐标系移回原点，变换矩 阵为Ts，最后将X0Z平面返回初始位置，变换矩阵为T-iiuf，据此可W计算出复合纤维缠绕 体的圆锥型中也线； 步骤五；W计算出的圆柱/圆锥螺旋线为基础计算相邻缠绕层复合纤维截面圆之间的 切点，将切点之间的连线作为胶层的轴向截面中也线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离 的基础胶层模型，然后W圆柱/圆锥螺旋线为引导线，复合纤维截面圆为轮廓对基础胶层 模型进行切除操作，生成复合纤维缠绕体的胶层模型。
[0042] 实施例4 ;一种基于圆柱螺旋曲线和计算机图形变换的构建复合纤维缠绕胶层模 型的方法： 步骤一；根据复合纤维缠绕产品的设计要求确定圆柱体螺旋线方程的直径和螺旋线轴 向长度，然后由圆柱体螺旋线方程结算出复合纤维缠绕模型中也线全部定位控制点的坐标 值； 步骤二：创建如图3所示的复合纤维中也线定位控制点的网状数据集合，其中保存由 圆柱型螺旋线计算出的全部中也线定位控制点的坐标参数W及定位控制点之间的逻辑关 系； 步骤H;对于跃层/跨圈部位的定位控制点修正，需要在跃层/跨圈部位均匀插入若干 定位控制点和相同数量的共轴基准面，基准面过Z轴和一个定位控制点，由于纤维具有一 定的刚度并且在缠绕的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将跃层部位的中也线的 轨迹描述为由H段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中也 线定义为一段圆弧，由于插入的定位控制点均匀分布，通过圆弧和直线段的方程可W计算 出新插入点的坐标参数，然后向对应的基准面上投影并将插入的定位控制点加入到已有的 定位控制点数据集合中； 步骤四：W计算出的圆柱型中也线定位点数据集合为基础计算相邻缠绕层复 合纤维截面圆之间的切点，将切点之间的连线作为胶层的轴向截面中也线，生成厚度为缠 绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后W圆柱/圆锥螺旋线为引导线，复合纤维截面 圆为轮廓对基础胶层模型进行切除操作，生成复合纤维缠绕体的胶层模型。
[0043] 实施例5 ;-种基于圆柱螺旋曲线和计算机图形变换的构建复合纤维缠绕胶层模 型的方法： 步骤一：根据复合纤维缠绕产品的设计要求确定圆柱体螺旋线方程的螺旋线间距，然 后由圆柱体螺旋线方程结算出复合纤维缠绕模型中也线全部定位控制点的坐标值； 步骤二：创建如图3所示的复合纤维中也线定位控制点的网状数据集合，其中保存由 圆柱型螺旋线计算出的全部中也线定位控制点的坐标参数W及定位控制点之间的逻辑关 系； 步骤H;对于跃层/跨圈部位的定位控制点修正，需要在跃层/跨圈部位均匀插入若干 定位控制点和相同数量的共轴基准面，基准面过Z轴和一个定位控制点，由于纤维具有一 定的刚度并且在缠绕的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将跃层部位的中也线的 轨迹描述为由H段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中也 线定义为一段圆弧，由于插入的定位控制点均匀分布，通过圆弧和直线段的方程可W计算 出新插入点的坐标参数，然后向对应的基准面上投影并将插入的定位控制点加入到已有的 定位控制点数据集合0(Ci〇中； 步骤四：W计算出的圆柱型中也线定位点数据集合eCP，J)为基础计算相邻缠绕层复 合纤维截面圆之间的切点，将切点之间的连线作为胶层的轴向截面中也线，生成厚度为缠 绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后W圆柱/圆锥螺旋线为引导线，复合纤维截面 圆为轮廓对基础胶层模型进行切除操作，生成复合纤维缠绕体的胶层模型。
[0044] 实施例6 ;-种基于圆柱螺旋曲线和计算机图形变换的构建复合纤维缠绕胶层模 型的方法： 步骤一：根据复合纤维缠绕产品的设计要求确定圆柱体螺旋线方程的直径、螺旋线轴 向长度和螺旋线间距，然后由圆柱体螺旋线方程结算出复合纤维缠绕模型中也线全部定位 控制点的坐标值； 步骤二：创建如图3所示的复合纤维中也线定位控制点的网状数据集合，其中保存由 圆柱型螺旋线计算出的全部中也线定位控制点的坐标参数W及定位控制点之间的逻辑关 系； 步骤H;对于跃层/跨圈部位的定位控制点修正，需要在跃层/跨圈部位均匀插入若干 定位控制点和相同数量的共轴基准面，基准面过Z轴和一个定位控制点，由于纤维具有一 定的刚度并且在缠绕的过程中要受到一定的拉力，因此可W近似的将跃层部位的中也线的 轨迹描述为由H段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中也 线定义为一段圆弧，由于插入的定位控制点均匀分布，通过圆弧和直线段的方程可W计算 出新插入点的坐标参数，然后向对应的基准面上投影并将插入的定位控制点加入到已有的 定位控制点数据集合中； 步骤四：W计算出的圆柱型中也线定位点数据集合为基础计算相邻缠绕层复 合纤维截面圆之间的切点，将切点之间的连线作为胶层的轴向截面中也线，生成厚度为缠 绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后W圆柱/圆锥螺旋线为引导线，复合纤维截面 圆为轮廓对基础胶层模型进行切除操作，生成复合纤维缠绕体的胶层模型。
[0045] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，该复合纤维可变锥 度缠绕胶层模型的建立方法，以圆柱螺旋曲线为基础数学模型结合计算机三维图形变换算 法实现圆柱/圆锥型缠绕胶层模型中心线定位控制点参数的快速计算；在三维设计环境中 导入中心线控制点坐标参数，并创建通过全部控制点的中心曲线；按照胶层所在位置生成 具有一定厚度的三维复合纤维胶层未切除的圆柱/圆锥型薄壁模型，最后以螺旋形中心线 为轨迹、复合纤维截面为轮廓对未切除的圆柱/圆锥型薄壁模型进行切除操作生成最后的 胶层三维实体模型。
2. 如权利要求1所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，该 复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法具体包括以下步骤： 步骤一、以圆柱螺旋线方程为计算复合纤维缠绕模型中心线定位控制点的基础方程； 步骤二、采用自定义二维链表数据结构构成网状数据集合，用以保存中心线定位控制 点上的坐标信息以及坐标点之间的逻辑关系； 步骤三、采用插入多个共轴参考基准面和过渡段定位控制点，并按照曲线关系计算出 的定位控制点与参考基准面一一对应投影的办法实现过渡段中心线的创建； 步骤四、以计算机图形变换算法计算满足预定义椎体锥度的圆锥螺旋线复合纤维缠绕 模型； 步骤五、计算相邻层之间的胶层厚度，以相邻的两层复合纤维轴向截面圆的切点为胶 层轴向截面的中心线定位控制点，生成相邻层之间未进行切除操作的胶层； 步骤六、以生成的圆柱/圆锥螺旋中心线为引导线，复合纤维截面为轮廓对胶层进行 切除操作生成复合纤维缠绕胶层的模型。
3. 如权利要求2所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，当 步骤一中，计算初始状态的圆柱型螺旋线时，步骤二中，将计算出来的圆柱螺旋线中心线定 位控制点的坐标参数和逻辑关系保存到自定义的数据集合中； 及建立数据集合￠ = 其中P为空间点的集合，并且对于集合中的任意点
间点之间的逻辑关系。
4. 如权利要求2所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，步 骤三中，根据设计精度的要求，在螺旋中心线跃层/跨圈部位连接曲线的轴向基准面投影 线上插入若干个定位控制点夕，并按照与插入定位控制点一一对应的关系插入若干个共 轴基准面，按照复合纤维纤维缠绕时的实际形态和近似曲线计算出插入定位控制点的坐标 参数，并向对应的插入基准面旋转变换形成新的定位控制点，将新生成的定位控制点用曲 线连接起来形成新的过渡段缠绕胶层中心线，实现复合纤维缠绕胶层时在跃层/跨圈部位 的相互避让； 这里创建新的数据集合e(Pj) = {啊八办刺:PU)},其中?={p为经过空间变换 的满足圆柱螺旋线方程的点数据集合； 为新加入跨层圈部位的点集合，其中Jpir= 。
5. 如权利要求2所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，步 骤四中，根据要求需要计算圆锥型螺旋线缠绕胶层模型时，要将步骤三中保存的数据集合 eCHA)进行计算机图形变换，变换方式为首先进行轴向基准面旋转变换r胃、坐标系平移 变换T1、定位控制点以原点为参考点的旋转变换r2、坐标系平移逆变换r3和基准面旋转逆 变换^^，得到满足锥度要求和尺寸要求的圆锥型复合纤维缠绕胶层模型； 及对于满足圆锥螺旋线方程的三维空间点集合中的任意点Z) 可以简化为是由三维空间点和经过三维几何变换得到，也就是
6. 如权利要求2所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，步 骤四中，根据要求需要计算圆柱型螺旋线缠绕胶层模型时，则不进行计算机图形变换，在步 骤三中保存的中心线坐标控制点数据集Q(Ef)满足圆柱型缠绕模型中心线的尺寸要求。
7. 如权利要求2所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，根 据过渡段的圆柱/圆锥螺旋中心线计算相邻层复合纤维轴向截面圆之间的切点，然后将这 些相邻层之间的切点连接起来构成胶层轴向截面的中心线t，以此轴向截面中心线为基础 生成厚度为复合纤维缠绕相邻层间距离的未切除胶层模型。
8. 如权利要求2所述的复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法，其特征在于，未 切除胶层模型，以圆锥螺旋线为引导线，以复合纤维截面圆为轮廓对胶层模型进行切除生 成复合纤维缠绕胶层模型。
【文档编号】G06F17/50GK104504194SQ201410795070
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月20日 优先权日:2014年12月20日
【发明者】曹岩, 方舟, 白瑀, 杜江, 姚慧 申请人:西安工业大学