CN105437570A - 一种在三维曲线轨迹上铺放预浸料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料自动铺放成型技术领域，具体地说，是一种根据测地曲率的变化改变自动铺放工艺参数、在三维曲线轨迹上铺放预浸料的方法，主要用于飞机复杂外形复合材料零件的自动铺丝成型，利用工艺参数对预浸料偏转性能的影响，得出预浸料偏转的测地曲率，并根据测地曲率评判工艺参数，极大提高了自动铺放工艺的灵活性，并降低在测地曲率较大的铺放点处的铺放缺陷，能满足复杂航空复合材料零部件的质量要求。

Description

一种在三维曲线轨迹上铺放预浸料的方法

技术领域

本发明涉及复合材料自动铺放成型技术领域，具体地说，是一种根据测地曲率的变化改变自动铺放工艺参数、在三维曲线轨迹上铺放预浸料的方法，主要用于飞机复杂外形复合材料零件的自动铺丝成型。

背景技术

自动铺放技术包括自动铺带技术（AutomatedTapeLaying）和自动铺丝技术（AutomatedFiberPlacement）。自动铺丝的优点在于采用独立输送、剪切的窄带预浸料，可成型具有复杂曲面外形的零件，从而广泛应用于航空航天领域，例如国外先进的军机和民机均普遍采用该技术。

在铺放复杂曲面外形的复合材料零件时，预浸料窄带在测地方向的曲率过大会造成所铺放的预浸料屈曲、产生皱褶，影响后续铺放和最终固化质量。在文献《Modellingslittapebucklingduringautomatedprepregmanufacturing》和《自动铺丝过程中预浸料的侧向弯曲》的研究中，描述了预浸料在测地方向的偏转行为，并用最小偏转半径（MinimumSteeringRadius）来来表征预浸料在测地方向的弯曲行为。最小偏转半径与材料模量、预浸料粘附力以及自动铺放工艺温度、压力、速度、预浸料带宽和厚度等参数有关。因此，利用工艺参数对预浸料偏转性能的影响，通过计算预浸料偏转的测地曲率和预浸料在不同工艺条件下所允许的偏转半径，并根据测地曲率评判工艺参数，可极大提高自动铺放工艺的灵活性，并降低在测地曲率较大的铺放点处的铺放缺陷，能满足复杂航空复合材料零部件的质量要求。

发明内容

本发明提出一种根据测地曲率的变化改变自动铺放工艺参数、在三维曲线轨迹上铺放预浸料的方法，其技术解决方案包括如下步骤：

S1、根据预浸料材料体系和试验选取基准工艺参数，并得到预浸料在该条件下的最小偏转半径r₀；

S2、将零件铺放面数模导入轨迹规划软件，根据相应的轨迹规划算法，计算出第一铺层内所有测地曲率非零的轨迹线和铺放点，计算测地曲率非零的铺放点处的测地半径R；

S3、将任一测地曲率非零的铺放点处的测地半径R与基准工艺参数下的预浸料最小偏转半径r₀进行比较；

S4、若R≥r₀，则在该铺放点处按基准工艺参数铺放预浸料；

S5、若R＜r₀，通过试验改变工艺参数，并得到该工艺参数下预浸料最小偏转半径r，直至r≤R，得到此时的工艺参数并按此工艺参数铺放放预浸料，对所有铺放点执行此操作，直至铺满第一铺层；

S6、铺放第n铺层时，将含有已铺放n-1个铺层的铺放面数模导入轨迹规划软件，重复S1~S5，直至铺满第n铺层。

本发明的有益效果是：利用工艺参数对预浸料偏转性能的影响，通过计算预浸料偏转的测地曲率和预浸料在不同工艺条件下所允许的偏转半径，并根据测地曲率评判工艺参数，极大提高了自动铺放工艺的灵活性，并降低在测地曲率较大的铺放点处的铺放缺陷，能满足复杂航空复合材料零部件的质量要求。

附图说明

图1为变工艺参数自动铺放三维预浸料曲线的流程图。

图2为在复杂外形曲面上用变工艺参数铺放大测地曲率铺放点的示意图。

图中：01-轨迹线；02-铺放表面；{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}-根据预浸料材料体系和试验选取的基准工艺参数，其中T表示温度，F表示压辊压力，v表示铺放速度，w为预浸料宽度，h为预浸料厚度，k_N为预浸料粘附力，F_t表示预浸料张力，“…”表示还有其他工艺参数；L₁,L₂,_...,L_n-铺放曲面上的自动铺放运行轨迹线；p₁,p₂,…,p_m-轨迹线L_k(k=1,2,…,n)上的铺放点；R₁,R₂,_...,R_m-铺放点p₁,p₂,…,p_m处对应的测地半径；{T',F',v',w',h',k_N',F_t'...}-根据测地半径的变化改变的工艺参数。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：图1为一种变工艺参数自动铺放三维预浸料曲线的流程图，采用以下步骤：

步骤101：根据预浸料材料体系和试验选取基准工艺参数{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}，并得到预浸料在该条件下的最小偏转半径r₀；

其中T表示温度，F表示压力，v表示速度，w为预浸料宽度，h为预浸料厚度，k_N为预浸料粘附力，F_t表示预浸料张力，“…”表示还有其他工艺参数。

步骤102：将零件铺放面数模导入轨迹规划软件，根据相应的轨迹规划算法（如测地线算法、固定角度算法和/或变角度算法），得到第一层铺层P₁内所有在测地方向曲率非零的轨迹L₁,L₂,_...,L_n。

步骤103：计算出第一铺层P₁内任一测地曲率非零的轨迹线L_k(k=1,2,…,n)上铺放点p₁,p₂,…,p_m处的测地半径R₁,R₂,_...,R_m。

然后，再进行步骤104：将任一测地曲率非零的铺放点p_t(t=1,2,...,m)处的测地半径R_t与基准工艺参数下的预浸料最小偏转半径r₀进行比较。

步骤105：若R_t≥r₀，则在铺放点p_t处按基准工艺参数{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}进行铺放。

步骤106：若R_t＜r₀，通过试验改变工艺参数{T,F,v,w,h,k_N,F_t...}的组合，减小预浸料的最小偏转半径，直至r≤R_t。

步骤107：得到此时的工艺参数{T',F',v',w',h',k_N',F_t'...}组合。

步骤108：在p_t处按工艺参数{T',F',v',w',h',k_N',F_t'...}进行铺放，对所有铺放点执行此操作，直至铺满第一铺层P₁。

步骤10：铺放第n铺层P_n时，按步骤102将含有已铺放n-1个铺层的铺放面数模导入轨迹规划软件，重复步骤102~108，直至铺满第n铺层P_n。

如图2所示，以一个复杂曲面02上某条轨迹线01的自动铺放为例，软件规划轨迹线01上有3个铺放点p₁、p₂和p₃，选定初始铺放工艺参数{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}，并得到预浸料在该工艺条件下的最小测地偏转半径r₀。

轨迹点p₁在曲面02上的测地曲率为0，即预浸料在p₁处没有侧向偏转，此时按{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}进行铺放，在p₁处使预浸料无皱褶的铺在曲面02上。

轨迹点p₂在曲面02上的测地曲率为1/r₀，即预浸料在p₁处侧向偏转半径R=r₀，此时预浸料侧向偏转在其所允许的范围内，按{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}进行铺放，可使使预浸料在p₂处无皱褶的铺在曲面02上。

轨迹点p₃在曲面02上的测地曲率大于1/r₀，即预浸料在p₃处侧向偏转半径R<r₀，此时若仍按{T₀,F₀,v₀,w₀,h₀,k_N0,F_t...}的工艺参数在p₃处进行铺放，会在p₃处发生预浸料的皱褶、产生缺陷。由于温度T、带宽w和预浸料粘附力k_N均对预浸料的侧向弯曲有较大影响，此时通过升高温度至T'或/和减小带宽至w'或/和提高预浸料粘附力至k_N'，减小预浸料最小测地偏转半径至r≤R，然后，在p₃处换成按工艺参数{T',F₀,v₀,w',h₀,k_N',F_t'...}铺放预浸料，由于此工艺条件下预浸料所允许的最小测地偏转半径r≤R，此时预浸料不会发生皱褶。

通过实施例可发现，该方法利用工艺参数对预浸料偏转性能的影响，通过计算预浸料偏转的测地曲率和预浸料在不同工艺条件下所允许的偏转半径，并根据测地曲率评判工艺参数，极大提高了自动铺放工艺的灵活性，并降低在测地曲率较大的铺放点处的铺放缺陷，可广泛用于飞机复杂外形复合材料零件的自动铺丝成型。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种在三维曲线轨迹上铺放预浸料的方法，其根据测地曲率的变化改变自动铺放工艺参数，其特征在于，采用如下步骤：

S1、根据预浸料材料体系和试验选取基准工艺参数，并得到预浸料在该条件下的最小偏转半径r₀；

S2、将零件铺放面数模导入轨迹规划软件，根据相应的轨迹规划算法，计算出第一铺层内所有测地曲率非零的轨迹线和铺放点，计算测地曲率非零的铺放点处的测地半径R；

S3、将任一测地曲率非零的铺放点处的测地半径R与基准工艺参数下的预浸料最小偏转半径r₀进行比较；

S4、若R≥r₀，则在该铺放点处按基准工艺参数铺放预浸料；

S5、若R＜r₀，通过试验改变工艺参数，并得到不同工艺参数下预浸料最小偏转半径r，直至r≤R，得到此时的工艺参数并按此工艺参数铺放预浸料，对所有铺放点执行此操作，直至铺满第一铺层；

S6、铺放第n铺层时，将含有已铺放n-1个铺层的铺放面数模导入轨迹规划软件，重复S1~S5，直至铺满第n铺层。