CN104504194A - 一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种复合纤维可变锥度缠绕胶层模型的建立方法

技术领域

本发明属于计算机图形学和三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

复合纤维缠绕成型是将连续的纤维浸渍树脂胶液后，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。这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。

三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三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。使得模拟的三维缠绕胶层产品三维实体模型的外形尺寸与实际产品近似程度较高。

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以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以上，因此生成此种类模型的难度很大。

发明内容

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以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以上，因此生成此种类模型难度很大的问题。

本发明实施例是这样实现的，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，以圆柱螺旋方程为基础函数结合计算机三维图形变换算法实现缠绕胶层模型中心线的快速计算，并在三维设计环境中创建依次通过全部定位控制点的中心线，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心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，然后以中心线为引导线对圆柱/圆锥型薄壁基础胶层模型进行切除操作生成三维复合纤维胶层产品模型。

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旋转变换的办法，将定位控制点向参考基准面参照缠绕轴心进行三维空间旋转变换，从而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的定位控制点，并以相邻层复合纤维截面圆心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、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。

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心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。

进一步，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，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。在三维设计空间中，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。

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，要将步骤三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、定位控制点以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。

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。

进一步，调整过渡段的圆柱/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，然后将这些切点连接起来构成胶层轴向截面的中心线，以此中心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。

进一步，在三维环境中，以未切除胶层模型为对象，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。

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三维环境中创建复合纤维缠绕产品粘接胶层三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三维空间中的坐标，结合三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。

附图说明

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心线轨迹图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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以解释本发明，并不用于限定本发明。

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。

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以下步骤：

S101：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；

S102：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；

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，在三维环境中实现过渡段中心线的创建；

S104：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；

S105：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的定位控制点，生成相邻层之间未进行切除操作的胶层；

S106：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。

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心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，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心线。可以实现复合纤维缠绕胶层时在跃层/跨圈部位的相互避让。

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、定位控制点以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，可以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。

步骤S105中，调整过渡段的圆柱/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，然后将这些切点连接起来构成胶层轴向截面的中心线，以此中心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。

步骤S106中，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可以生成复合纤维缠绕胶层模型。

本发明以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心线的快速计算，并在三维设计环境中以中心线定位控制点为基础绘制螺旋形切除轨迹中心线，然后计算出胶层轴向截面中心线生成未切除的圆柱/圆锥型胶层三维模型，最后对胶层模型进行切除生成三维复合纤维胶层产品模型。

本发明的具体步骤为：

本发明以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。这种方法能够快速实现三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。

本发明中创建复合纤维缠绕胶层三维实体模型的基本路线是首先构建复合纤维的中心线控制点坐标参数，然后采用在SolidWorks三维软件中扫描切除或放样切除的方法生成三维实体模型。因此能否顺利的构建缠绕模型的多层螺旋形中心线成为决定性的条件。创建模型需要完成三个步骤：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；                                                基础胶层的创建和切除操作，具体包括以下步骤：

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/圆锥缠绕模型的三维螺旋中心线时不可能依靠手工输入的方式输入三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。

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心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。

步骤三，跃层与跨圈的节点控制：

在设计复合纤维缠绕胶层模型的三维实体模型时除了创建多层的缠绕复合纤维外，还需要解决三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，由于三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。

步骤四，基于计算机图形学的模块化函数变换：

以计算机三维图形变换算法将中心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。

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。

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心线的数学模型，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。采用这种模型可以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。

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。节点的类型包括三种类型：①起始结点②层始结点和③定位控制点三种类型。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以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以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。

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以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。这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。

上述步骤三中，解决这两种问题的方法是在第n层的末节点和第n+1层的始结点之间以及第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，由这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。

对于跃层部位的定位控制点修正，需要确定这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θ。首先可以在两个基准面之间插入若干个新的中间基准面J_i(i=1~N)。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，因此可以近似的将中心线的轨迹描述为由三段线段组成，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这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。确定中心线轨迹后将该轨迹向中间基准面J_k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心线轨迹。

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心线向基准面族上逐点投影。最后将这些投影点连接起来形成新的中心线。

上述步骤四中，满足圆柱螺旋线方程的数据集合任意定位控制点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

。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；其次进行旋转变换，变换矩阵为；再次将坐标系移回原点，变换矩阵为。最后将XOZ平面返回初始位置，变换矩阵为。因此满足圆锥螺旋曲线的点坐标参数都可以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。

上述步骤五中，由复合纤维缠绕模型中心线的定位控制点，可以逐层计算出胶层的轴向截面中心线，并且可以逐层计算出胶层的厚度参数，根据胶层的中心线和厚度参数可以逐层创建胶层模型，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。

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以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以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。

结合以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心线全部定位控制点的坐标值；

步骤二：创建如图3所示的复合纤维中心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心线定位控制点的坐标参数以及定位控制点之间的逻辑关系；

步骤三：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，因此可以近似的将跃层部位的中心线的轨迹描述为由三段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中心线定义为一段圆弧，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以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，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；其次进行旋转变换，变换矩阵为；再次再将坐标系移回原点，变换矩阵为，最后将XOZ平面返回初始位置，变换矩阵为，据此可以计算出复合纤维缠绕体的圆锥型中心线；

步骤五：以计算出的圆柱/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心线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后以圆柱/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。

实施例2：一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心线全部定位控制点的坐标值；

步骤二：创建如图3所示的复合纤维中心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心线定位控制点的坐标参数以及定位控制点之间的逻辑关系；

步骤三：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，因此可以近似的将跃层部位的中心线的轨迹描述为由三段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中心线定义为一段圆弧，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以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，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；其次进行旋转变换，变换矩阵为；再次再将坐标系移回原点，变换矩阵为，最后将XOZ平面返回初始位置，变换矩阵为，据此可以计算出复合纤维缠绕体的圆锥型中心线；

步骤五：以计算出的圆柱/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心线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后以圆柱/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。

实施例3：一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、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心线全部定位控制点的坐标值；

步骤二：创建如图3所示的复合纤维中心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心线定位控制点的坐标参数以及定位控制点之间的逻辑关系；

步骤三：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，因此可以近似的将跃层部位的中心线的轨迹描述为由三段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中心线定义为一段圆弧，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以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，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；其次进行旋转变换，变换矩阵为；再次再将坐标系移回原点，变换矩阵为，最后将XOZ平面返回初始位置，变换矩阵为，据此可以计算出复合纤维缠绕体的圆锥型中心线；

步骤五：以计算出的圆柱/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心线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后以圆柱/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。

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心线全部定位控制点的坐标值；

步骤二：创建如图3所示的复合纤维中心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心线定位控制点的坐标参数以及定位控制点之间的逻辑关系；

步骤三：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，因此可以近似的将跃层部位的中心线的轨迹描述为由三段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中心线定义为一段圆弧，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以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：以计算出的圆柱型中心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心线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后以圆柱/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。

实施例5：一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心线全部定位控制点的坐标值；

步骤二：创建如图3所示的复合纤维中心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心线定位控制点的坐标参数以及定位控制点之间的逻辑关系；

步骤三：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，因此可以近似的将跃层部位的中心线的轨迹描述为由三段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中心线定义为一段圆弧，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以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：以计算出的圆柱型中心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心线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后以圆柱/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。

实施例6：一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、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心线全部定位控制点的坐标值；

步骤二：创建如图3所示的复合纤维中心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心线定位控制点的坐标参数以及定位控制点之间的逻辑关系；

步骤三：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，因此可以近似的将跃层部位的中心线的轨迹描述为由三段线段组成，其中包括两端的圆弧线段和中间的直线段；跨圈部位的中心线定义为一段圆弧，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以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：以计算出的圆柱型中心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心线，生成厚度为缠绕模型相邻层间距离的基础胶层模型，然后以圆柱/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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

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                                                ，其中为空间点的集合，并且对于集合中的任意点满足圆柱螺旋线方程，为数据集合中包含的三维空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，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，其中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。

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、定位控制点以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，其中。

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，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。