CN104608402B - 飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法 - Google Patents

飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，针对复合材料成型方法一般采用与复合材料制件数据模型相同的型面进行制造模具型面的热成型方法，而对于单件大件的飞机复合材料造成无法获得型面的变形规律，造成型面精度下降，本发明提供了一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，以零件数据模型的型面为原始数据，根据数据模型几何特征制作试片和测量，建立试片变形量数据库，对原始截面曲线进行修正和补偿得到修正后的截面曲线，再用三维CATIA软件获得修正后的成型表面，用修正后的成型表面作为制造模具的成型面，再制作复合材料产品，这样可以大幅度提高复合材料制件的精度，提高复合材料型面的质量，并降低生产成本。

Description

飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法
技术领域
本发明涉及一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法。
背景技术
目前，复合材料零件的成型方法多采用热压罐固化成型，模具材料的选择及模具型面的制造精度直接影响复合材料制件的精度。而复合材料模具型面通常根据复合材料制件型面来确定，采用相同的型面进行模具制造。这种方法存在一定的缺陷，即在复合材料成型过程中，由于模具材料与复合材料制件的热膨胀系数不同，造成成型后复合材料制件的型面与原始零件数模型面存在一定程度的误差，尺寸变形，达不到设计要求，精度下降，影响制件的使用，尤其在飞机的复合材料的型面制件的使用中，飞机的制件属于单件大件生产，不能形成一定批次数量，造成无法获得复合材料的型面不同制件的变形规律，飞机的整个型面制件数量过多而且形状不同，导致不能采用飞机的整个型面制件作为试件，因为成本过高。
本发明提出一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，以关键词“精准成型”进行专利检索到发明专利1项，以关键字“变形补偿”进行专利检索没有相关专利，均未见“复合材料精准成型变形补偿方法”相关的专利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对飞机上大型件、精密复合材料零部件成型过程中，由于模具材料与制件材料的热膨胀系数不同，造成复合材料制件型面与理想数模型面存在较大的误差，影响了制件的使用。即使模具材料采用热膨胀系数与复合材料相近的Invar合金材料，仍然存在一定程度的误差。而且由于Invar合金材料成本较高，且厚度规格有限，也提高了模具制造成本。
本发明的目的是提供一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，可以按照飞机零件型面进行修正计算，以补偿由于热变形所造成的误差，通过对复材成型模具成型表面进行修正，用修正结果制造出的模具来进行复材成型，补偿由于热膨胀系数不同造成的制件型面误差，以达到提高复材制件成型精度的目的，可以达到与零件数模形状较高的吻合度，提高复合材料成型精度并降低生产成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，以零件数据模型的型面为原始数据，根据复合材料制件的数据模型几何特征制作试片，通过试片试验得到的变形修正数据，并综合考虑成型过程其它影响因素，对零件数据模型的型面进行修正计算，补偿成型后所造成的误差，用修正的结果数据重新构建型面，用以制造模具成型面，再制作复合材料产品，达到减小误差、实现精准成型的目的，该方法包括如下步骤：
(1)试片的制备，根据复合材料制件的不同型面的结构、特点和零件数模型面的原始数据在试片制备专用模具上选择合适的区域制造试片，试片的铺层角度、层数、固化工艺均与需要制造的复合材料制件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性；
(2)试片变形量数据的获取，试片完成后进行试片测量，进行测量结果和专用模具型面的原始数据进分析对比，获取试片变形前后曲率半径的关系、型面角关系、伸缩率参数，建立试片变形量数据库；
(3)复合材料制件的型面几何特征的提取，在零件数模型面的原始数据中提取三个内容：零件成型表面F、修正计算基准线B及基准点P；
(4)修正前的原始截面曲线处理和修正后新截面曲线计算，根据步骤(3)处理修正前的原始截面曲线和根据步骤(2)得到修正数据进行的复合材料零件型面的新截面曲线修正计算处理，其中主要修正计算具体内容和步骤如下：
(4-1)根据步骤(2)提取的几何特征，在基准线B上以点P为起点按间距或比率取点，取点间隔或比率个数为i，i＝1、2……n，其中B的端点为必选点，n是取点的最大个数，n选取越大，说明取点个数i越多，精度越高；
(4-2)提取修正前的原始截面曲线，在所生成的点处做B的法平面，并求取法平面与成型表面F的交线，步骤(4-1)的每一个选取点i都得到一条截面曲线，这样可得到一组截面线分别为L1、L2……Ln，其中n是截面曲线个数；
(4-3)修正前的原始截面曲线分段处理，对步骤(4-2)所得的每一条原始截面曲线进行分段处理，选取的分段点Pt，其中分段点个数t＝1、2……m，其中m是分段点的个数，分段点Pt选取原则是一条原始截面曲线的每一段曲线的曲率半径差小于数模中该条截面曲线的理论值，起始段点Pt的选取位置依据零件的数模是否对称而定，当零件数模为对称结构时，以截面曲线中点为基准向两端进行分段，否则以其中一个端点为基准向另一端进行分段；
(4-4)根据试片试验数据结果进行分析计算，并计算出每一条原始截面曲线的各段曲线的曲率半径变化量；
(4-5)根据热膨胀公式ΔL计算长度尺寸变化量，热膨胀公式ΔL表达式为：ΔL＝α(t1-t2)L，其中ΔL是所截取的曲线段长度变化量，α是复合材料线性膨胀系数，L是所截取的曲线段长度，t1、t2分别是复合材料加热前初始和加热后终止温度；
(4-6)由每一条原始截面曲线的各段曲线的半径变化量、长度变化量及几何位置关系计算重复按步骤(4-1)～(4-5)得到所有修正后的截面曲线位置与形状；
(5)绘制补偿后的模具型面，根据修正后的截面曲线用三维CATIA软件自动生成新补偿后的成型表面，补偿后的成型表面作为复合材料制造模具的成型面；
附图说明
图1是本发明的精准成型变形补偿方法流程图。
图2是本发明的试片制备专用模具及试片示意图。
图3是本发明的复合材料零件型面的几何特征提取示意图。
图4是本发明的修正前的原始截面曲线的选取离散点示意图。
图5是本发明的修正前的原始截面曲线示意图。
图6是本发明的修正前的原始截面曲线的分段点示意图。
图7是本发明的截面曲线修正前后对比示意图。
1-试片制备专用模具、2-试片、3-工作台、4-修正前的原始截面曲线、5-修正后的截面曲线、F-提取的成型面、B-提取的零件基准线、P-基准点、(L1、L2……Ln)-求取的截面曲线、Pt-截面曲线所取的分段点。
具体实施方式
本技术方案还可以通过以下技术措施来实现并下面结合附图对本发明作进一步的描述：
本发明建立在CATIA平台基础之上，以一个具体的复材型面补偿计算为例，说明如何根据复材制件零件数模型面进行修正计算，补偿成型过程的变形量，以得到模具型面的方法。
图1是本发明的精准成型变形补偿方法流程图，该方法主要步骤具体如下：
(1)试片的制备，根据复合材料制件的不同型面的结构、特点和零件数模型面的原始数据在试片制备专用模具上选择合适的区域制造试片，试片的铺层角度、层数、固化工艺等均与需要制造的复合材料制件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性；
(2)试片变形量数据的获取，试片完成后进行试片测量，进行测量结果和专用模具型面的原始数据进分析对比，获取试片变形前后曲率半径的关系、型面角关系、伸缩率等参数，建立试片变形量数据库；
(3)复合材料制件的型面几何特征的提取，在零件数模型面的原始数据中提取三个主要内容：零件成型表面F、修正计算基准线B及基准点P；
(4)修正前的原始截面曲线处理和修正后新截面曲线计算，根据步骤(3)处理修正前的原始截面曲线和根据步骤(2)得到修正数据进行的复合材料零件型面的新截面曲线修正计算处理，其中主要修正计算具体内容和步骤如下：
(4-1)根据步骤(2)提取的几何特征，在基准线B上以点P为起点按间距或比率取点，取点间隔或比率个数为i，i＝1、2……n，其中B的端点为必选点，n是取点的最大个数，n选取越大，说明取点个数i越多，精度越高；
(4-2)提取修正前的原始截面曲线，在所生成的点处做B的法平面，并求取法平面与成型表面F的交线，步骤(4-1)的每一个选取点i都得到一条截面曲线，这样可得到一组截面线分别为L1、L2……Ln，其中n是截面曲线个数；
(4-3)修正前的原始截面曲线分段处理，对步骤(4-2)所得的每一条原始截面曲线进行分段处理，选取的分段点Pt，其中分段点个数t＝1、2……m，其中m是分段点的个数，分段点Pt选取原则是一条原始截面曲线的每一段曲线的曲率半径差小于数模中该条截面曲线的理论值，起始段点Pt的选取位置依据零件的数模是否对称而定，当零件数模为对称结构时，以截面曲线中点为基准向两端进行分段，否则以其中一个端点为基准向另一端进行分段；
(4-4)根据试片试验数据结果进行分析计算，并计算出每一条原始截面曲线的各段曲线的曲率半径变化量；
(4-5)根据热膨胀公式ΔL计算长度尺寸变化量，热膨胀公式ΔL表达式为：ΔL＝α(t1-t2)L，其中ΔL是所截取的曲线段长度变化量，α是复合材料线性膨胀系数，L是所截取的曲线段长度，t1、t2分别是复合材料加热前初始和加热后终止温度；
(4-6)由每一条原始截面曲线的各段曲线的半径变化量、长度变化量及几何位置关系计算重复按步骤(4-1)～(4-5)得到所有修正后的截面曲线位置与形状；
(5)绘制补偿后的模具型面，根据修正后的截面曲线用三维CATIA软件自动生成新补偿后的成型表面，补偿后的成型表面作为复合材料制造模具的成型面；
图2给出了本发明的试片制备专用模具及试片示意图，进行试片的制备和测量，并计算出试片的变形前后的数据，采用试片制备专用模具(1)，根据复合材料零件的不同型面的结构、特点和零件数模型面的原始数据在试片制备专用模具(1)上选择合适的区域制造试片(2)，试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺等均与需要制造的复合材料制件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性；试片完成后进行试片测量，进行测量结果和专用模具型面的原始数据进分析对比，获取试片变形前后曲率半径的关系、型面角关系、伸缩率等参数，建立试片变形量数据库。
图3是本发明的复合材料零件型面的几何特征提取示意图，提取复合材料制件的型面几何特征，在零件数模型面的原始数据中提取三个主要内容：零件成型表面F、修正计算基准线B及基准点P等。
图4是本发明的修正前的原始截面曲线的选取离散点示意图，根据提取的几何特征，在基准线B上以点P为起点按间距或比率取点，取点间隔或比率个数为i，i＝1、2……n，其中B的端点为必选点，n是取点的最大个数，n选取越大，说明取点个数i越多，精度越高。
图5是本发明的修正前的原始截面曲线示意图，图6是本发明的修正前的原始截面曲线的分段点示意图，建立零件型面原始截面曲线和分段点，在图4上所生成的点处做B的法平面，并求取法平面与成型表面F的交线，每一个选取点都得到一条截面曲线，这样可得到一组截面线分别为L1、L2……Ln，其中n是截面曲线个数；在所生成的点处做B的法平面，并求取法平面与成型表面F的交线，步骤(4-1)的每一个选取点都得到一条截面曲线，这样可得到一组截面线分别为L1、L2……Ln，其中n是截面曲线个数；所得的每一条截面曲线进行分段处理，选取的分段点Pt，其中分段点个数t＝＝1、2……m，其中m是分段点的个数，分段点Pt选取原则是一条截面曲线的每一段曲线的曲率半径差小于数模中该条截面曲线的理论值，截面曲线分段处理中起始段点Pt的选取位置依据零件的数模是否对称而定，当零件数模为对称结构时，以截面曲线中点为基准向两端进行分段；否则以其中一个端点为基准向另一端进行分段。
图7是本发明的截面曲线修正前后对比示意图，根据试片试验数据结果进行分析计算，并计算出每一条截面曲线的各段曲线的曲率半径变化量，根据热膨胀公式ΔL计算长度尺寸变化量，热膨胀公式ΔL表达式为：ΔL＝α(t1-t2)L，其中ΔL是所截取的曲线段长度变化量，α是复合材料线性膨胀系数，L是所截取的曲线段长度，t1、t2分别是复合材料加热前初始和加热后终止温度；重复计算得到的各条原始截面曲线(4)的修正后的截面曲线(5)，根据修正后的截面曲线用三维CATIA软件自动生成新补偿后的模具成型表面。

Claims (3)

1.一种飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，其特征在于：以零件数据模型的型面为原始数据，根据复合材料制件的数据模型几何特征制作试片，通过试片试验得到的变形修正数据，并综合考虑成型过程其它影响因素，对零件数据模型的型面进行修正计算，补偿成型后所造成的误差，用修正的结果数据重新构建型面，用以制造模具成型面，再制作复合材料产品，达到减小误差、实现精准成型的目的，该方法包括如下步骤：
(1)试片的制备，根据复合材料制件的不同型面的结构、特点和零件数模型面的原始数据在试片制备专用模具上选择合适的区域制造试片，试片的铺层角度、层数、固化工艺均与需要制造的复合材料零件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性；
(2)试片变形量数据的获取，试片完成后进行试片测量，进行测量结果和专用模具型面的原始数据进分析对比，获取试片变形前后曲率半径的关系、型面角关系、伸缩率参数，建立试片变形量数据库；
(3)复合材料制件的型面几何特征的提取，在零件数模型面的原始数据中提取三个内容：零件成型表面F、修正计算基准线B及基准点P；
(4)修正前的原始截面曲线处理和修正后新截面曲线计算，根据步骤(3)处理修正前的原始截面曲线和根据步骤(2)得到修正数据进行的复合材料零件型面的新截面曲线修正计算处理；
(5)绘制补偿后的模具型面，根据修正后的截面曲线用三维CATIA软件自动生成新补偿后的成型表面，补偿后的成型表面作为复合材料制造模具的成型面。
2.根据权利要求1所述的飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，其特征在于：所述步骤(4)中原始截面曲线处理和修正后新截面曲线计算，其中的主要内容和步骤具体包括如下：
(4-1)根据步骤(2)提取的几何特征，在基准线B上以点P为起点按间距或比率取点，取点间隔或比率个数为i，i＝1、2……n，其中B的端点为必选点，n是取点的最大个数，n选取越大，说明取点个数i越多，精度越高；
(4-2)提取修正前的原始截面曲线，在所生成的点处做B的法平面，并求取法平面与成型表面F的交线，步骤(4-1)的每一个选取点i都得到一条截面曲线，这样可得到一组截面线分别为L1、L2……Ln，其中n是截面曲线个数；
(4-3)修正前的原始截面曲线分段处理，对步骤(4-2)所得的每一条原始截面曲线进行分段处理，选取的分段点Pt，其中分段点个数t＝1、2……m，其中m是分段点的个数，分段点Pt选取原则是一条原始截面曲线的每一段曲线的曲率半径差小于数模中该条截面曲线的理论值；
(4-4)根据试片试验数据结果进行分析计算，并计算出每一条原始截面曲线的各段曲线的曲率半径变化量；
(4-5)根据热膨胀公式ΔL计算长度尺寸变化量，热膨胀公式ΔL表达式为：ΔL＝α(t1-t2)L，其中ΔL是所截取的曲线段长度变化量，α是复合材料线性膨胀系数，L是所截取的曲线段长度，t1、t2分别是复合材料加热前初始和加热后终止温度；
(4-6)由每一条原始截面曲线的各段曲线的半径变化量、长度变化量及几何位置关系计算重复按步骤(4-1)～(4-5)得到所有修正后的截面曲线位置与形状。
3.根据权利要求2所述的飞机用复合材料型面精准成型变形补偿方法，其特征在于：所述步骤(4-3)中截面曲线分段处理中起始段点Pt的选取位置依据零件的数模是否对称而定，当零件数模为对称结构时，以截面曲线中点为基准向两端进行分段，否则以其中一个端点为基准向另一端进行分段。
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