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1、學(xué)術(shù)論文復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶的預(yù)浸帶規(guī)劃技術(shù)術(shù)PrepregTapeDesigningTechnologyonAutomaticTape-LayingforComposites中航工業(yè)北京航空制造工程研究所孟月梅沈陽航空航天大學(xué)王偉【摘要】針對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)的鋪放要求，對(duì)預(yù)浸帶的幾何構(gòu)成與規(guī)劃初始條件設(shè)定進(jìn)行了介紹，提出了基于鋪層信息的預(yù)浸帶鋪放路徑規(guī)劃、預(yù)浸帶輪廓邊界生成以及展平幾何計(jì)算等實(shí)現(xiàn)方法，并從不同側(cè)面闡述了預(yù)浸帶可鋪放性的分析方法。通過預(yù)浸帶規(guī)劃模塊開發(fā)以及曲面鋪層上預(yù)浸帶幾何的生成，證明了該方法的可行性。關(guān)鍵詞：自動(dòng)鋪帶預(yù)浸帶規(guī)劃鋪放路徑預(yù)浸帶
2、輪廓展平幾何IABSTRACT】Geometricelementsandtheinitialconditionsofprepregtapedesigningareintroduced，whichisbasedonautomatictape·-layingtechnologyforcompos·-ites．Accordingtoplyinformation，geometricelementoftapeisgenerated，andthemethodoftapeanalysisisdis—cussed．Themoduleoftapedesigningisdevel
3、oped，andanexampleshowsthatthemethodofgeneratingtapegeom—etriesonsurfaceisfeasible．Keywords：Automatictape-layingPrepregtapedesigningTape-layingpathContourofprepregtapeFlatteninggeometry自動(dòng)鋪帶技術(shù)是復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化制造發(fā)展的產(chǎn)物。該技術(shù)利用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶定位、鋪覆、裁剪、壓實(shí)等過程的自動(dòng)完成，是數(shù)控、CAD／CAM、預(yù)浸帶鋪放工藝等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。自動(dòng)鋪帶將一定寬度
4、的單向預(yù)浸帶按預(yù)定方向進(jìn)行鋪覆，不僅要滿足所鋪放的預(yù)浸帶不能有皺褶、撕裂等現(xiàn)象，且相鄰預(yù)浸帶不允許搭接。對(duì)于一些尺寸大、曲率變化較小的復(fù)合材料構(gòu)件，手工制造難度大，精度、工藝性能難以保證，采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)不僅能夠很好地解決這類問題，而且效率也有顯著提高11-21。在自動(dòng)鋪帶CAD／CAM軟件開發(fā)中，預(yù)浸帶鋪放路+用于翼面類結(jié)構(gòu)的大型復(fù)合材料鋪帶機(jī)(2009ZX04004—101“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng))、基于全三維信息模型的復(fù)材T藝設(shè)計(jì)技術(shù)(先進(jìn)制造技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目)、基于全三維信息模型的復(fù)材—[裝設(shè)計(jì)技術(shù)(先進(jìn)制造技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目)資助。徑規(guī)劃是其
5、關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接關(guān)系到復(fù)合材料構(gòu)件的成型精度與質(zhì)量。國(guó)外已有商業(yè)化的自動(dòng)鋪帶CAD／CAM軟件，如美國(guó)CINCINNATI公司的ACRAPATH軟件，法國(guó)CIMPA公司的TAPELAY軟件等。國(guó)內(nèi)針對(duì)自動(dòng)鋪帶CAD／CAM技術(shù)也進(jìn)行了深入研究，如南京航空航天大學(xué)等單位，在自動(dòng)鋪帶相關(guān)軟件開發(fā)方面取得了一些成果，并進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證[3-4]o在自動(dòng)鋪帶的預(yù)浸帶規(guī)劃研究中，從目前報(bào)道發(fā)現(xiàn)，針對(duì)路徑規(guī)劃算法方面的研究較多，而對(duì)基于鋪層信息的預(yù)浸帶規(guī)劃技術(shù)方面的研究較少。本文針對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)的鋪放要求，明確了預(yù)浸帶幾何構(gòu)成及規(guī)劃初始條件，提出了基于鋪層信息的
6、預(yù)浸帶鋪放路徑規(guī)劃、預(yù)浸帶邊界生成以及展平幾何獲取等實(shí)現(xiàn)方法，并從不同側(cè)面對(duì)預(yù)浸帶可鋪放性進(jìn)行了分析，使自動(dòng)鋪帶的預(yù)浸帶規(guī)劃方法更具有實(shí)用性。運(yùn)用本文提出的實(shí)現(xiàn)方法，借助CATIA提供的二次開發(fā)工具CAA，開發(fā)了預(yù)浸帶規(guī)劃功能模塊，并在曲面鋪層上生成了預(yù)浸帶相關(guān)幾何，驗(yàn)證了該方法的可行性。1預(yù)浸帶幾何元素構(gòu)成及規(guī)劃初始條件設(shè)定1．1預(yù)浸帶幾何元素在復(fù)合材料構(gòu)件鋪層設(shè)計(jì)模型中，鋪層信息包括纖維方向、鋪層輪廓線及鋪層所在面(可為平面或曲面)。自動(dòng)鋪帶的預(yù)浸帶規(guī)劃，將以鋪層信息為基礎(chǔ)，提供能夠完整描述整個(gè)鋪層中所有預(yù)浸帶定位、鋪放、裁剪等過程所需的各類數(shù)據(jù)。通過對(duì)鋪
7、帶設(shè)備與所需制造數(shù)據(jù)的綜合分析，確定預(yù)浸帶幾何類型主要包括預(yù)浸帶鋪放路徑、輪廓邊界以及其展平幾何[5】。(1)預(yù)浸帶鋪放路徑是鋪放帶的軌跡數(shù)據(jù)，位于整個(gè)預(yù)浸帶沿纖維方向的中部，也稱為預(yù)浸帶中心線。(2)預(yù)浸帶輪廓邊界由帶側(cè)邊線、鋪層輪廓邊界等構(gòu)成，為一封閉輪廓線。帶輪廓邊界決定了帶的實(shí)際形狀。(3)預(yù)浸帶展平幾何是對(duì)預(yù)浸帶平直狀態(tài)時(shí)的形狀描述。該數(shù)據(jù)主要用于鋪放設(shè)備的自動(dòng)裁剪。2013年第21期·航空制造技術(shù)81學(xué)術(shù)論文預(yù)浸帶幾何元素構(gòu)成如圖l所示展平幾何輪廓邊界圖1預(yù)浸帶幾何元素構(gòu)成Fig．1Geometricalelementsofprepregtape1
8、-2預(yù)浸帶規(guī)劃初始條件設(shè)定預(yù)浸帶規(guī)劃初
