CN103930750B - 用于由3d机织复合材料制成的部件的设计 - Google Patents

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Abstract

一种由3D机织复合材料制成的部件的设计方法，该设计方法由计算机执行并且包括：获得表示所述部件外表面的形状数据(SHAPE)的步骤(F1)；针对所述外表面的点集合中的每个点(PT)，根据确定的投影方向确定所述点和所述点至目标表面上的投影之间的距离(d)的步骤(F5,F6)；以及根据所确定的距离(d)确定3D机织预成体的结构的步骤(F8)；该方法的特征在于，它还包括步骤(F2)：根据所述部件外表面上的点的位置确定规定投影方向的投影数据(F),其中，根据所述投影(F)以及根据所述点的位置，在步骤(F5)确定距离期间，确定用于点集合的点(PT)中的至少一些点的所述投影方向。

Description

用于由3D机织复合材料制成的部件的设计
技术领域
本发明涉及由3D机织复合材料制成的部件的领域。本发明特别涉及估计当设计这样的部件时要给出的该部件的厚度。
背景技术
文档FR2892339描述了通过使用3D机织复合材料制造复合涡轮引擎叶片。主要制造步骤如下：
制造具有与要制造的叶片的外表面相对应的内表面的模具；
然后把3D机织预成体插入该模具中；以及
最后把树脂注入到该模具中，然后使树脂硬化。
在前面计算机辅助设计(CAD)步骤期间，特别地，根据模具的形状确定要插入模具中的预成体中的层数以及该预成体中的层退出的形状。存在用于执行这样的计算的算法。那些已知算法使用中位面(mean profile)作为输入数据，其也称为骨架轮廓(skeletonprofile)，表示要制造的部件的形状，与表示部件的厚度的厚度域相关联。基于模具的形状，因此有必要确定部件的中位面和对应的厚度域。
为此目的，在制造由2D机织复合材料制成的部件的情况下，文档EP2327538提出了通过将其外表面的点投影到平行于叶片根部的平面上，在垂直于由上面提及的平面和叶片的中位面之间的交点限定的曲线的方向上，确定叶片的厚度。
然而，3D机织复合材料的性能不同于成批的2D机织材料的性能，并且已经观测到以此方式估计厚度是不适当的，并且可能导致纤维含量的改变，因而导致不是非常均匀的部件。
文档FR2916529描述了测量部件外形的光学方法。该文档在任何情况下也不涉及设计由3D机织复合材料制成的部件。该文档的一段描述了确定部件的外形，但是它没有提及3D机织预成体，也没有提及层数或者这样的层的退出位置。
发明内容
本发明提出了一种设计由3D机织复合材料制成的部件的方法，该设计方法由计算机执行并且包括：
获得表示所述部件外表面的形状数据的步骤；
针对所述外表面的点集合中的每个点，确定所述点和所述点至目标表面上的投影之间的距离的步骤，所述投影沿着预定投影方向；以及
根据所确定的距离确定3D机织预成体的结构的步骤；
该方法是卓越的在于它还包括步骤：根据所述部件外表面上的点的位置确定规定投影方向的投影数据,其中，根据所述投影以及根据所述点的位置，在步骤确定距离期间，确定用于点集合的点中的至少一些点的所述投影方向。
根据目标表面，所确定的距离可以对应于部件的厚度或者部件厚度的一半。通过使用由例如预定文件中的投影数据规定的投影方向，所确定的厚度可以是在模具中已经成形了预成体之后通过经纱列(warp column)实际看到的厚度。因此，预成体的所确定结构可以考虑预成体在模具中成形时经受的变形。这导致更均匀的纤维含量。
投影数据根据所述点沿着所述部件的高度轴的位置规定投影方向。在一变体中，投影数据根据所述点沿着部件的高度轴的位置并且依赖于沿着部件的宽度轴的位置，规定投影方向。
目标表面可以是部件的中位面。
在另一实施方式中，所述部件的外表面具有第一面和与所述第一面相对的第二面，所述点集合是所述第一面的点集合，而所述目标表面是所述第二面。
在另一实施方式中，对于所述点集合的点中的至少一些点，在步骤确定距离期间，使用的投影方向是垂直于所述目标表面的方向。
确定3D机织预成体的结构的步骤可以包括：
计算展开平放的目标表面的步骤；以及
根据所计算的展平表面、根据所确定的距离以及根据目标机织参数，确定层数和针对层的退出位置的步骤。
举例来说，目标机织参数是目标纤维含量、目标经纱/纬纱比率、预定的织物、目标经纱间距、目标纬纱间距、目标对准、以及预定纺纱尺寸。
本发明还提供了一种用3D机织复合材料制造部件的方法，该方法包括：
确定使用依据本发明的设计方法的3D机制预成体的结构的步骤；以及
根据所确定的结构制造所述部件的步骤。
该制造方法可以包括：
制造所述部件的原型的步骤；以及
把所述投影数据存储为在所述原型中观测到的变形的函数的步骤。
本发明还提供了一种计算机程序，其包括当所述程序由计算机执行时执行依据本发明的设计方法的指令。
最后，本发明还提供了一种设计用3D机织复合材料制成的部件的设备，该设备包括：
用于获得表示所述部件外表面的形状数据的装置；
距离确定装置，其针对所述外表面的点集合中的每个点，确定所述点和所述点至目标表面上的投影之间的距离，所述投影沿着预定投影方向；以及
结构确定装置，用于根据所确定的距离确定3D机织预成体的结构；
该设备的特征在于，它还包括，用于根据所述部件外表面上的点的位置获得规定投影方向的投影数据,其中，所述距离确定装置被配置成使用根据所述投影数据以及根据所述点的位置确定的方向作为针对点集合的点中的至少一些点的投影方向。
附图说明
根据参考附图所进行的下面描述，本发明的其它特性和优点显现出来，其示出了具有非限制性特性的实施方式。在图中：
图1示出了在本发明的一实施方式中，制造由3D机织复合材料制成的部件的方法的主要步骤；
图2示出了图1中确定预成体的步骤的主要步骤；
图3是叶片的投影图，示出了点沿着依赖于高度的投影方向投影；
图4是图3叶片的剖面图，示出了点沿着依赖于高度的投影方向或者沿着垂直方法投影；以及
图5示出了使得能够执行图2的步骤的计算机的硬件架构。
具体实施方式
图1示出了用3D机织复合材料制造部件的方法的主要步骤。在下面描述中，该部件是用于涡轮引擎的风机叶片。自然地，本发明应用于由3D机织复合材料制成的任何其它部件。
该方法起始于步骤E1，在步骤E1期间，确定叶片的形状。典型地，该部件的设计者通过使用CAD软件来描绘叶片外表面的形状。叶片外表面的形状然后被存储在称为SHAPE的文件中。
此后，在步骤E2中，确定与步骤E1的形状相对应的3D机织预成体的结构。本领域技术人员知道适合于确定这样的预成体的结构的方法和软件，因此不详细描述此步骤。在一个实施方式中，步骤E2具体包括确定该部件的中位面和对应的厚度域，以及根据中位面和根据所确定的厚度域确定预成体的层退出(layer exit)。在介绍中提及的文档EP2327538给出了可以用作此步骤中的确定厚度域的示例。
举例来说，层的退出的位置如下确定：
从中位面开始，执行压平计算。由于中位面来自于该部件的3D形状并且由于是在展平(即2D)预成体上执行机织的，因此有必要确定与该3D形状相对应的展平形状；
此后，把所确定的厚度域传送至展平形状；以及
根据该展平形状的厚度域，根据目标纤维含量以及根据目标经纱/纬纱比率确定层数和层退出位置。纤维含量是层数、织物、经纱间隔、纬纱间隔、对准以及纺线尺寸的函数。由于选定了其它参数，所以它保持调整层数以便获得期望的纤维含量。
然后使用如在步骤E2中确定的预成体结构，在步骤E3中制造原型叶片。典型地，步骤E3包括制作与步骤E1的形状相对应的模具，对如步骤E2中所确定的预成体进行3D机织，把该预成体插入到模具中，把树脂注入到模具中，以及使树脂硬化。可以使用其它制造方法。
此后，在步骤E4中，观测步骤D3的原型叶片中机织纤维的变形。举例来说，可以对该原型进行切削或者可以通过X射线体层照相术来观测纤维的变形。
本发明发现，在定形期间纤维的变形随着叶片内高度的变化而变化。因此，在原型中，通过经纱列看到的厚度对应于在源于这样的变化的变形量的方向上所看到的厚度，并且未必等于当在步骤E2中确定预成体时已考虑的厚度。纤维含量因此不是恒定的，并且叶片因而不均匀，这是不希望的。
因此，在步骤E4中，根据所观测的变形方向，针对叶片的不同高度选择不同的投影方向。所选择的投影方向存储在文件F中。
此后，在步骤E5中，根据步骤E1的形状以及根据步骤E4中所选择的投影方法，为3D机织复合材料确定预成体的结构。在本发明的意义上，步骤E5对应于设计部件的方法，并且下面参考图2详细描述。
最后，在步骤E6中，使用步骤E5中所确定的预成体结构，制造叶片(或者一系列叶片)。像步骤E3一样，步骤E6包括对如步骤E5中所确定的预成体进行3D机织，把该预成体插入到模具中，把树脂注入到模具中，以及使树脂硬化。可以使用其它制造方法。
参考图2，下面更详细地描述步骤E5的实施。
在步骤F1中，获得如上面参考步骤E2所提及的文件SHAPE。在步骤F2中，获得如上面参考步骤E4所提及的文件F。
此后，在步骤F3中，选择叶片表面上的点的集合，例如，在定螺距处分布的点的集合。
在步骤F5中，确定步骤F3的点PT与该点在预定方向上到目标表面上的投影之间的距离d。
在一个实施方式中，目标表面是叶片的中位面，也称为骨架轮廓。该中位面例如可以被限定为由内切于叶片体积中的圆的中心限定的表面，或者由在预定方向上叶片两个相对面之间的半途的点限定。
在另一实施方式中，步骤F3的点选在叶片一个面上，例如，其压力侧，并且其目标表面是该相对面(例如其吸力侧)。
在步骤F5中，在由文件F规定的投影方向上对点PT进行投影。这在图3和4中更详细地示出。
图3示出了采用透视图的叶片1，并且还示出了表面2。表面2是文件F的内容的图形图例。因此，表面2可以被看作平行于叶片1的高度h轴延伸的扭曲矩形条。对于每个高度h，垂直于表面2的方向3表示对应于考虑的高度的投影方向。
因此，位于高度h0的点PT在步骤F5中沿着由表面2规定的对应投影方向3投影。
图4是叶片1的剖视图，示出了叶片1的中位面。位于在叶片1的压力侧上高度h0处的点PT沿着由表面2所规定的投影方向3投影到中位面4上。把点PT在此方向上的投影写成PT'。
点PT和PT'之间的距离表示叶片1在方向3上的厚度的一半。
在一实现方式中，对步骤F3中所选择的所有的点进行如上面所解释的投影。
在另一实施方式中，对应于图2中虚线示出的步骤，一些点如上面所解释地进行投影，而其它点在垂直于目标表面的方向上进行投影(至图4示例中的中位面4)。
因此，在此实施方式中，在步骤F3之后且在步骤F5之前，在步骤F4中确定点PT是要沿着垂直方向进行投影的类型的点还是要沿着如文件F中所规定的方向进行投影的类型的点。举例说明，点PT的类型根据文件F中包含的数据来确定。例如，文件F不仅包含表面2的定义，而且还包含高度范围的列表，以及针对每个范围的点类型的说明。
取决于如步骤F4中所确定的点的类型，点PT经受如上面步骤F5中所描述的投影，或者经受步骤F6中的垂直投影。
步骤F6的垂直投影示出在图4中。在垂直于中位面4的方向5上点PT投影到中位面4上。把点PT在此方向5上的投影写成PT"。
点PT和PT"之间的距离d表示叶片1沿着方向5的厚度的一半。
针对步骤F3中的所有的点，重复步骤F5(或者步骤F4、F5、F6的集合)。如果在步骤F7中确定了针对步骤F3中的所有的点已经执行了步骤F5(或者步骤F4、F5、F6的集合)，则该方法移动至步骤F8。
最后，在步骤F8中，在考虑到由所确定距离d表示的厚度域时确定3D机织复合材料的预成体的结构和对应的文件SHAPE的形状。
图2的步骤对应于由计算机执行的设计叶片1的方法。在这样的情形下，图2的步骤对应于执行计算机程序。图5示出了使得能够执行图2的步骤的计算机10的硬件架构。
计算机10包括处理器11、非易失性存储器12、易失性存储器13和用户接口14。处理器10在使用易失性存储器13时用于执行储存在非易失性存储器12中的程序。用户接口14使得用户能够把数据输入到计算机10中，特别是上面提及的文件SHAPE和文件F的数据。包括用于执行步骤F1至F8的指令的计算机程序存储在非易失性存储器12中。
在上面描述的实施方式中，文件F根据部件表面上的点的高度h规定了投影方向。在一变体中，投影方向还可以根据部件上点的宽度位置的变化而变化。因而，采用通用术语，文件F根据点的位置规定了投影方向。

Claims (11)

1.一种设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，该设计方法由计算机(10)执行并且包括：
步骤F1获得表示所述部件(1)外表面的形状数据SHAPE；
针对所述外表面的点集合中的每个点PT，步骤F5,F6确定所述点和所述点在目标表面(4)上的投影PT',PT"之间的距离d，所述投影沿着预定投影方向(3,5)；以及
步骤F8根据所确定的距离d确定3D机织预成体的结构；
该方法的特征在于，它还包括步骤F2根据在所述部件(1)外表面上的不同点的位置上所观察的部件(1)的原型的变形确定规定不同投影方向的投影数据F,其中，根据所述投影数据F以及根据所述点的位置，在步骤F5确定距离期间，确定用于点集合的点PT中的至少一些点的所述投影方向(3)。
2.依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，其中，所述投影数据F根据所述点沿着所述部件的高度轴h的位置规定投影方向。
3.依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，其中，所述投影数据F根据所述点沿着所述部件的高度轴h的位置并且依赖于沿着所述部件的宽度轴的位置，规定投影方向。
4.依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，其中，所述目标表面(4)是所述部件的中位面。
5.依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，其中，所述部件的外表面具有第一面和与所述第一面相对的第二面，所述点集合是所述第一面的点集合，而所述目标表面是所述第二面。
6.依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，其中，对于所述点集合的点PT中的至少一些点，在步骤F6确定距离期间，使用的投影方向(5)是垂直于所述目标表面(4)的方向。
7.依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法，其中，所述步骤F8确定3D机织预成体的结构包括：
计算展开平放的目标表面的步骤；
根据所计算的展平表面、根据所确定的距离d以及根据目标机织参数确定层数和针对层的退出位置的步骤。
8.一种用3D机织复合材料制造部件的方法，该方法包括：
确定使用依据权利要求1所述的设计由3D机织复合材料制成的部件(1)的方法的3D机制预成体的结构的步骤E5；以及
根据所确定的结构制造所述部件的步骤E6。
9.依据权利要求8所述的用3D机织复合材料制造部件的方法，其中所述步骤E6根据所确定的结构制造所述部件包括：
根据所确定的结构机织预成体的步骤；
把所述预成体插入到模具中的步骤；以及
将树脂注入到所述模具中的步骤。
10.依据权利要求8或者权利要求9所述的用3D机织复合材料制造部件的方法，该方法包括：
制造所述部件(1)的原型的步骤E3；以及
把所述投影数据存储为在所述原型中观测到的变形的函数的步骤E4。
11.一种用于设计用3D机织复合材料制成的部件(1)的设备(10)，该设备包括：
用于获得表示所述部件(1)外表面的形状数据SHAPE的装置(14)；
距离确定装置(11,12,13)，用于针对所述外表面的点集合中的每个点PT，确定所述点和所述点在目标表面(4)上的投影PT',PT"之间的距离d，所述投影沿着预定投影方向(3,5)；以及
结构确定装置(11,12,13)，用于根据所确定的距离d确定3D机织预成体的结构；
该设备的特征在于，它还包括下列装置(14)，用于根据在所述部件(1)外表面上的不同点的位置上所观察的部件(1)的原型的变形获得规定不同投影方向的投影数据F,其中，所述距离确定装置(11,12,13)被配置成使用根据所述投影数据F以及根据所述点的位置确定的方向作为针对点集合的点PT中的至少一些点的投影方向(3)。
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