复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用_程松.pdf
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1、 ,()上海电气技术收稿时间:第一作者简介:程松(),男,硕士,高级工程师,主要从事机电一体化控制技术研究工作复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用程松徐志明陈金成上海电气集团自动化工程有限公司上海 摘要:根据需求,设计了平坦曲面复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件。根据应用对象的特点,对这一软件进行模块划分,对软件的核心模块路径规划模块进行功能定义,分析常用的等距偏移方法原理。通过对天线反射面板的应用,验证了这一软件功能的有效性。关键词:复合材料;铺丝;计算机辅助设计;应用中图分类号:文献标志码:文章编号:():,:;研究背景目前,计算机辅助设计与制造技术应用于各种工业过程。与传统机械
2、加工不同,自动铺放技术采用按设计方向逐层铺叠的增料加工模式,自动铺放相关的计算机辅助设计与制造软件与普通切削加工领域的也截然不同。自动铺放计算机辅助设计与制造软件基于材料铺放工艺特性和构件外形特征,根据构件结构设计要求,按照铺放设备机器结构和工作模式,生成可供专用铺放设备实现复合材料构件成型制造的数控加工代码。在满足设计要求的基础上,应当尽可能提高铺放效率,保证铺放质量,节约材料,降低制造成本。自动铺丝计算机辅助设计软件是复合材料加工领域特有的,自动铺丝计算机辅助设计是复合材料构件制造的关键技术之一。目前,在国际上较为出名的自动铺放计算机辅助设计软件包括 公司 、西门子公司 ,已成熟应用于航空
3、航天、汽车、新能源等领域复合材料的设计、分析、生产过程中。南京航空航天大学、武汉理工大学、浙江大学等国内高校团队对铺放软件中的各个模块,如轨迹规划等,进行了研究和试验,取得了一定的进展,实现了许多功能。但是,目前国内的研究主要以针对某些功能模块进行基于 软件的功能开发为主,与形成稳定、可靠、高效的铺放软件还有一定差距。当前,国内仅有少数单位拥有自动铺放设备,具有自主知识产权的自动铺放计算机辅助设计软件在国内尚属空白。笔者对复合材料自动铺放计算机辅助设计软件进行功能模块划分,对其中的轨迹规划模块等距平移功能进行分析,设计了复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件。以天线反射面板的自动铺丝为应用背景,进
4、行工件分层和路径规划研究,由此验证软件的使用效果。软件资源模块复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计上海电气技术 ,()目的是按照构件设计要求,根据材料工艺特性,利用自动铺放装备完成复合材料的构件设计。软件应当根据装备和工艺要求、模块化设计原则进行设计,可以满足不同装备和工艺要求。软件的处理对象是图形和数据,输出结果也同样是数据。软件的资源模块用于计算机辅助设计参数的定义,分为材料参数和设备参数。材料参数可以分为曲面信息数据、构件设计数据、装备数据、材料铺放工艺特性数据等四个主要数据流。曲面信息数据包括曲面的数学信息等,构件设计数据包括铺放角度、铺层设计、间隙容差、性能容差等,装备数据包括机
5、器参数等,材料铺放工艺特性数据包括纤维宽度、丝数、带宽、铺放中允许变形量等。设备参数包括机器的基本参数、动作特性、铺放工艺特性,以及铺放过程中可能出现的调节参数。例如,机器加热时间与铺放速度的关系等属于铺放工艺特性,在铺放状态与未铺放状态,预浸带从切刀到压辊距离的变化量属于机器铺放过程中可能出现的调节参数。软件模型定义模块在软件的模型定义模块中,机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义,曲面信息数据输入可以采用的技术途径有两种。第一,通过交互界面输入特性参数,由软件调用图形接口完成建模。优点是自行开发,算法简单,在后期轨迹规划时可以充分利用数学手段,内存占用少,运算速度快。第二,利用通用
6、计算机铺放设计制造软件完成曲面信息的建模工作,通过读取通用格式曲面文件,在后期对数据进行重构,算法上以数值迭代计算为主,通用性强,但效率低。目前专用计算机辅助设计软件都支持这一方式,在图形设计环境中生成标准格式曲面文件,用户界面标准统一,能够充分利用通用图形设计软件的稳定性和强大功能。模型定义模块中的铺放曲面信息数据面型和边界通过导入曲面和曲线来进行定义,导入的曲面文件格式主要支持 ,曲线文件支持格式有、。软件路径规划模块软件的路径规划模块通过在铺放构件曲面上建立数学模型,形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式,并且可以控制铺放过程中铺丝头的运动路径和姿态。这是实现铺放工艺的核心,也是
7、设计自动铺放计算机辅助制造软件等后续步骤的前提。复合材料铺层设计是结构设计的基础,同时是铺丝成型构件特有的工作内容。铺层设计的优劣会在很大程度上影响最终产品的性能。路径规划模块包含层合板设计和单层路径轨迹设计功能。复合材料构件由层合板组成,单层铺放是结构基础。层合板设计定角度铺层是层合板设计常用的方式之一。在自动纤维铺放过程中,铺放角指铺层上某点处丝束方向与某固定轴线所成的角度,取值范围为 。常见定角度铺层如图所示,铺放角定义为丝束方向与轴的夹角。在实际设计中,考虑拉力、压力、剪切力的影响,铺放角通常选取、等。将一定数量的单向板沿轴方向叠加,就形成了复合材料层合板,属于对称结构层合板,可描述为
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