CN108290355A - 一种设计复合组件的铺层表的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种设计复合组件402的铺层表204、708的方法，包括：限定与待制造的复合组件402相对应的组件体积12；限定多个复合材料连续层20以填充所述组件体积12；基于对可变固化层厚度的估算，模拟所述多个复合材料连续层20中的至少一些层，其中，通过以下步骤估算所述可变固化层厚度：模拟各复合材料层20的至少一部分；以及至少部分地基于所述部分的局部条件，估算复合材料所述部分的固化层厚度。基于多个模拟的层20，限定铺层表204、708。

Description

一种设计复合组件的铺层表的方法
本发明涉及一种设计复合组件的铺层表(plybook)的方法。
复合材料越来越多地用于需要特定材料特性组合的组件。特别是诸如碳纤维增强聚合物(CFRP)等复合材料，由于其高刚度和低重量而广泛用于航空航天等行业的组件。复合材料通常包括增强材料(诸如碳纤维)和基体材料(诸如环氧树脂)。
已知的几种用于为组件自动铺叠复合材料的方法，包括自动纤维铺放(AutomaticFibre Placement，AFP)和自动铺带(Automatic Tape Laying，ATL)。在AFP中，复合材料的若干单根纤维聚集形成丝束，并且将该丝束放置在工具上并定期切割丝束以形成复合材料层(course)。窄边的带可以用来代替单根纤维或丝束。在ATL中，较宽的带直接施加到工具的层上。
在AFP和ATL中，复合材料通常使用被称为铺放头的自动工具被施加到工具上。铺放头根据预定的模式将多层丝束或带施加到工具上以形成每一层。预定的模式可以被限定为手动、半自动或自动。例如，通过在计算机上运行的转向程序可以自动限定丝束层的模式，该计算机接收铺层表数据文件形式的输入，并为铺放头生成头路径数据文件。铺层表数据文件通常包括用于形成复合组件(或该组件的预制件)的多个连续层及其各层形状的限定。头路径数据文件通常包括铺放头的转向路径的限定，以及转向路径各个部分的切割位置和可选速度的限定，用于铺叠在铺层表数据文件中限定的层。
申请人已经通过自动过程预先设计了铺层表(即，多个复合材料连续层及其各层形状的限定)，通过该铺层表限定了与待制造的组件相对应的体积，并且将层模拟为使用制造商数据的层厚度被施加到体积中。
然而，申请人已经发现，根据以这种方式设计的铺层表制造的组件通常比组件的模拟体积(即设计体积)大或小。因此，在固化过程之后，通常需要进行与厚度相关的不合格活动，诸如加工。这种不合格活动通常是手动的、不可靠的和昂贵的。例如，一些加工不合格活动通常可能需要在制造期间添加被添加到组件中的牺牲层，以便随后加工掉不合格的过量材料。牺牲层可以是粘合材料，而不是结构纤维增强材料，从而更容易加工。
因此，希望提供一种设计复合组件的铺层表的改进方法。
根据本发明的第一方面，提供一种为复合组件设计铺层表的方法，包括：限定与待制造的复合组件相对应的组件体积；限定多个复合材料连续层以填充组件体积；基于对可变固化层厚度的估算，模拟多个复合材料连续层中的至少一些层，其中，通过以下步骤估算可变固化层厚度：模拟各复合材料层的至少一部分；以及至少部分地基于该部分的局部条件，估算复合材料该部分的固化层厚度；以及基于多个模拟的层，限定铺层表。
组件体积与组件的三维形状相关，例如，如在计算机中限定的那样。术语组件体积可以与“组件形状”或“模拟组件”互换使用。在以下描述中类似的限定体积也是如此，包括误差体积和误差补偿体积。为了避免疑义，术语体积在本文中不用于指代位移量，即，对象组件的空间量的标量测量。
基于对可变固化层厚度的估算，铺层表可以被限定，从而与在组件体积中被模拟的多个连续层相对应。
铺层表包括待铺叠的层的限定。
可以限定多个层，从而模拟的层填充组件体积。换句话说，模拟的层占据的体积可以与组件体积相对应，或者可以与组件体积相连。每一层可以依次被限定和模拟为，被施加在组件体积中直至组件体积被填充满。
限定和模拟每一层的步骤可以针对每一层顺序地进行，使得多个连续层中的第二层至少部分地基于多个中模拟的第一层来限定。
组件体积可以包括起始表面(或铺叠表面)和目标表面，并且多个层可以被限定为从起始表面到目标表面依次地填充组件体积。限定多个连续层中的每一层可以包括：基于下方表面限定层的参考表面；将参考表面投影到目标表面上以限定相交边界；以及基于相交边界为该层限定层边界。
参考表面可以沿着从起始表面延伸至目标表面的大体的铺叠轴(并沿着从起始表面至目标表面的方向)被投影到目标表面上。相交边界可以被投影到层的参考表面上或者与模拟的层相应的表面上以限定层边界。
多个复合材料连续层可以是被限定为基于对固化层厚度的第一估算填充组件体积的第一多个连续层。对可变固化层厚度的估算可以是对固化层厚度的第二估算。基于对固化层厚度的第二估算，第一多个复合材料连续层中的至少一些可以被模拟以限定误差体积。该方法可以进一步包括：基于误差体积和组件体积，限定误差补偿体积；基于对固化层厚度的第一估算，限定第二多个复合材料连续层以填充误差补偿体积；以及基于第二多个模拟的层，限定铺层表。
因此，铺层表可以被限定为与在误差补偿体积中被模拟的第二多个连续层相对应。由于第一多个连续层被用来确定误差补偿体积，因此也可以基于第一多个连续层来限定铺层表。
换句话说，提供一种设计复合材料铺层表的计算机实现的方法，包括：限定与待制造的组件相对应的组件体积；限定第一多个连续层以填充组件体积，其中基于对固化层厚度的第一估算，第一多个连续层中的至少一些被模拟为被施加到组件体积中；基于对固化层厚度的可变的第二估算，模拟第一多个连续层中的至少一些以限定误差体积，其中通过以下步骤估算可变固化层厚度：模拟各复合材料层的至少一部分；以及至少部分地基于该部分的局部条件，估算复合材料该部分的固化层厚度；基于误差体积和组件体积，限定误差补偿体积；基于对固化层厚度的第一估算，限定第二多个复合材料连续层以填充误差补偿体积；以及基于第二多个模拟的层，限定铺层表。
对固化层厚度的第一估算可以是对恒定固化层厚度的估算，其可以被施加到整个层上(即，在层的整个范围上)。
限定误差补偿体积可以包括通过比较误差体积和组件体积来确定厚度误差，以及基于厚度误差来修改组件体积。因此，误差补偿体积可以补偿厚度误差。因此，基于第二多个连续层限定的第二铺层表，和/或根据该铺层表制造的组件可以补偿厚度误差。
可以递归地估算可变固化层厚度。换句话说，可以为复合材料的一组部分中的每一部分估算可变固化层厚度。该组部分可以形成复合材料模拟的层的子集，例如，该组部分可以与受到可能影响固化层厚度的局部条件影响的模拟的层的那些部分相对应，或者适于具有相当大数量的层的各体积的这些部分。
估算复合材料层的一部分的固化层厚度可以至少部分地基于从由以下组成的组中选择的一个或多个部分的局部条件：
组件体积内该部分的位置；
各层内该部分的位置；
施加到组件体积中时该部分的曲率；以及
通过模拟丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定模拟组件体积中该部分的局部自由体积。
估算复合材料层的一部分的固化层厚度可以包括：确定组件体积内该部分的位置；以及根据该部分与组件体积边界的接近度来估算该部分的固化层厚度。
根据该部分与组件体积边界的接近度来估算该部分的固化层厚度可以包括至少部分地基于根据该部分与组件体积边界的接近度来参考预定的边界接近关系。预定的边界接近关系可以至少部分地基于其他局部条件，诸如复合材料的组成。
估算复合材料层的一部分的固化层厚度可以包括：确定各层内该部分的位置；以及根据该部分与层边缘的接近度来估算该部分的固化层厚度。
根据该部分与层边缘的接近度来估算该部分的固化层厚度可以包括至少部分地基于根据该部分与组件体积边界的接近度来参考预定的边缘接近关系。预定的边界接近关系可以至少部分地基于其他局部和/或全局条件，诸如复合材料的组成。
根据该部分与组件体积边界和/或与各层边缘的接近度来估算该部分的固化层厚度可以包括在制造过程期间模拟树脂渗出的影响。
估算复合材料层的一部分的固化层厚度可以包括：确定与该部分相关联的曲率的度量；根据该曲率估算该部分的固化层厚度。
确定与该部分相关联的曲率的度量可以包括评估模拟的层该部分的曲率，或相关联表面的曲率，诸如在先层的表面、参考表面，或组件体积的铺叠表面(即，铺层表中第一层的铺设表面)的曲率。确定与该部分相关联的曲率的度量可以包括评估曲率的大小，例如，关于该部分的一个或多个主轴的曲率的大小。确定曲率的度量可以包括评估曲率的类型，例如，通过评估该部分是否具有高斯曲率。
根据曲率的度量估算该部分的固化层厚度可以包括至少部分地基于与该部分相关联的曲率参考预定的曲率关系。预定的曲率关系可以至少部分地基于其他局部和/或全局条件，诸如复合材料的组成。
估算复合材料层的一部分的固化层厚度可以包括：通过确定丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定模拟组件体积中该部分的局部自由体积的度量；基于自由体积的度量估算固化层厚度。
根据自由体积的度量估算该部分的固化层厚度可以包括至少部分地基于该部分的局部自由体积参考预定的自由体积关系。预定的自由体积关系可以至少部分地基于其他局部和/或全局条件，诸如复合材料的组成。
该方法可以进一步包括确定用于铺叠模拟的层的头路径的至少一部分，以及可以基于根据该头路径将丝束和/或层模拟为被施加到组件体积中确定丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在。
可以通过分析根据该头路径被施加到组件体积中时的丝束和/或层的接近性确定丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在。
可以使用离散网格来模拟多个复合材料连续层。当每一复合材料层被模拟时，离散网格可以逐层增长。可以为每一模拟的层限定单独的离散网格。
根据本发明的第二方面，提供一种铺叠复合组件的预制件的方法，包括：根据本发明的第一方面限定复合材料的铺层表；以及控制复合铺叠设备铺叠铺层表中限定的每一层以形成预制件。
该方法可以是计算机实现的。
根据第三方面，提供一种计算机可读介质，其承载有用于执行根据本发明的第一方面的方法的指令。
根据本发明的第四方面，提供一种包括计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，当计算机可读指令被计算机读取时，导致根据本发明的第一或第二方面的方法的执行。
根据本发明的第五方面，提供一种包括计算机可读指令的信号，当计算机可读指令被计算机读取时，导致根据本发明的第一或第二方面的方法的执行。
根据本发明的第七方面，提供一种计算机程序，当计算机程序被计算机读取时，导致根据本发明的第一或第二方面的方法的执行。
根据本发明的第八方面，提供一种装置，包括：至少一个处理器；以及至少一个包括计算机可读指令的存储器；该至少一个处理器被配置为读取该计算机可读指令并且导致根据本发明的第一或第二方面的方法的执行。
现在将参考以下附图，通过示例的方式来描述本发明：
图1示出了与复合组件相对应的组件体积的透视图；
图2示出了设计铺层表和制造复合组件的方法；
图3示出了组件体积模拟的简化透视图和侧视图；
图4示出了设计铺层表的方法；
图5示出了铺叠设备；
图6示出了根据本发明的第一示意实施例设计铺层表的方法；
图7示出了根据本发明的第二示意实施例设计铺层表的方法；
图8示出了用于限定可变固化层厚度的模拟的层的离散方法；以及
图9示出了加工和铺叠装置。
为了将本发明置于上下文中，如下，将首先参考图1-5描述如申请人在先考虑(但未公开)的复合组件的示例设计和制造方法。
图1示出了如在计算机中模拟的复合组件，特别是复合风扇叶片主体402的三维表示，在此被称为组件体积12。风扇叶片主体402包括用于连接前缘、后缘和尖端金属件的凹陷部分403。
图2示出了限定组件铺叠过程的示例方法(100)和制造组件的示例方法(300)。限定铺叠过程的方法(100)包括子方法，该子方法包括设计组件的CAD模型(102)，以及将对应的组件体积12输出到资源；基于组件体积限定组件层(104)，以及将对应的铺层表204输出到资源；限定头路径(106)，以及将对应的头路径数据206输出到资源。
制造的后续方法(300)包括基于头路径数据206操作铺叠设备(302)以制造复合组件402的预制件404，以及固化预制件404(304)以形成完整的组件402。
组件体积12可以根据本领域已知的任何合适的CAD设计方法102来生成。
图3示出了简化的组件体积12，并且图4示出了在组件体积中限定层形状以及模拟层20的示例层限定方法(104)。
如图3和图4所示，在示例层限定方法(104)中，从设置在组件体积12的铺叠表面14上的基层22开始，在组件体积12中限定多个连续层20。铺叠表面14选自限定组件体积12的多个边界壁，并且具有位于组件体积12相对侧的相对目标表面16。在图3中所示的实施例中，目标表面16包括体积12的侧表面。
在本示例中，通过基于组件体积12确定层20的层形状(110)，以及随后将层20模拟为被施加到组件体积12(112)来限定每一层20(104)。
在本示例中，通过首先基于待被施加层的表面(即在从铺叠表面14到目标表面的方向上最上方的表面)确定参考表面18(114)来确定层形状。对于基层22，由此基于铺叠表面14确定参考表面18，而对于随后的层20，基于在先层20的“上”或“暴露”表面确定参考表面。参考表面18本质上是对应表面的模拟副本。
然后通过预定的固化层厚度沿着大体的铺叠轴24偏移参考表面18(116)，在本示例中铺叠轴24被限定为组件体积12在铺叠表面14和目标表面16之间延伸的轴线，从而被投影的参考表面与目标表面16(包括组件体积的侧壁)相交以限定相交边界。然后基于相交确定层形状(118)，并且层被模拟为被施加到组件体积12中(112)。
因此，基于目标表面16限定每一层的层形状，从而在连续层上，在组件体积内建立层堆以与目标表面的形状和曲率相对应。
在替代示例中，可以首先将每一层20模拟为被施加到组件体积中(112)，并且随后可以确定各层形状(110)，并相应地修改模拟的层的边界28。
应当理解的是，可以根据其它方法限定每一层20的层边界28。
基层22(以及依次的每一连续层20)被模拟为被施加到组件体积12中(112)，作为具有恒定固化层厚度(cured ply thickness，CPT)并终止于各层限定的层边界的连续层。CPT表示固化后的层的厚度，并且实际上由于许多因素CPT通常是每一层的铺设厚度的一小部分，因素包括纤维增强材料、基底材料(例如环氧树脂)和气体夹杂物的比率，以及表面粗糙度。根据供应商数据(即复合材料的供应商)或者由制造商确定的经验值设置CPT。因此，通过基于CPT(与所铺设的厚度相对)模拟层20，模拟表示固化组件402，而不是组件的预制件。
为了限定下一层20，基于模拟的层20最上方的表面确定新的参考表面18，并且根据上述方法限定另一层20。
一旦已经限定了足够的层20，从而最终层20填满组件体积12(并与目标表面16相对应)，就生成了包括层限定(即，层的相应位置和形状)的铺层表204。铺层表可以是逐渐生成的。
应当理解的是，上述示例层限定方法(104)是若干在先考虑的可以用于限定层并生成铺层表204的方法之一。
然后如本领域已知的那样基于铺层表204限定头路径(104)。确定头路径(106)包括确定待铺设的纤维复合材料层以形成铺层表204(即，层的位置和范围)中限定的各层20。该过程可以是手动的、半自动的或自动的，并且可以使用与限定层的方法(104)相同的资源或不同的资源来完成。例如，可以在第一计算机上限定层，并且可以使用单独的计算机来限定头路径，该计算机可以与铺叠设备集成或分离。
确定头路径以提供(即，输出)头路径数据206，在本示例中头路径数据206是包括用于铺叠设备的指令的数据文件，以导致铺放头408和工具410之间相对移动，从而铺叠纤维复合材料层以形成组件402的预制件404的层20。例如，头路径数据206可以包括限定头路径(例如，铺放头408相对于工具410的位置)的一系列坐标，和/或在其他参数中可以被解释为导致移动的速度和/或加速度参数。
在制造方法(300)中，通过铺叠设备406(图5)读取头路径数据206，并且该设备被控制以导致沿着相应头路径的相对移动，从而根据铺层表204铺叠复合材料层20，因此形成组件402的预制件404(302)。复合材料以预浸渍(pre-preg)的碳纤维和环氧树脂丝束的形式被提供至铺叠设备406。
预制件404随后在升高的温度和压力下固化(304)以形成组件402。在本示例中，预制件从堆叠工具410重新定位到用于固化过程(304)的模具(未示出)。
申请人已经发现，根据上述方法制造的预制件和组件可能偏离其预期的形状。在预制件的情况下，这可能意味着预制件不符合固化模具，并且因此可能需要不合格活动(例如去除膨胀和加工)以将预制件装入模具。类似地，固化组件402可能偏离设计的形状，该不合格可能导致进一步的校正行为，包括进行通常是费力的、不准确的且昂贵的加工和验证。
不合格问题通常归因于层限定和铺叠过程固有的不准确性，通常认为这是由于这些过程的(至少部分)手动性质造成的。因此，这种不合格通常通过修改固化组件来解决。
然而，申请人已经发现，沿着铺叠过程的头路径的局部条件和铺设后复合材料的各部分的固化层厚度(CPT)之间的关系。本发明涉及考虑这些关系来限定层的方法，从而减轻制造完成的组件402中的不合格问题。
如图6和7所示，根据本发明的限定铺叠过程的示例方法与上述示例方法(100)的区别在于：该方法包括基于可变固化层厚度对层20的模拟，该可变固化层厚度至少部分地基于局部条件被估算。
现将描述根据本发明限定层(604、704)的示例方法。
示例1
在图6中示出的第一示意实施例(604)中，首先基于参考表面18限定可变CPT(612)确定每一层，以及尽管基于可变CPT，随后如上所述确定每一层20的层形状(110)。然后每一层被模拟为被施加到组件体积12中(614)。在其它实施例中，可以首先估算层形状(110)，而随后估算可变CPT(612)。
如下文详细列出的，可变CPT基于每一层各部分的局部条件被估算为可变量(612)。
在本示意实施例中，基于CPT和每一局部条件之间的关系估算层20的一部分的CPT，包括该每一局部条件的组由以下组成：
组件体积12内该部分的位置；
各层20内该部分的位置；
该部分和/或参考表面18(或者下方层20或铺叠表面14)的曲率；
基于模拟丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定该部分的局部自由体积。
在其他示例中，可以基于子集或仅基于一个局部条件来估算CPT。
申请人已经发现，组件体积12内以及各层20内各部分的位置与CPT有关。具体地，在制造组件402(300)的期间(包括固化(304))，来自预浸渍的复合材料的基体材料(例如环氧树脂)被加热并变得较不粘稠，使得其在预制件404内移动(当预制件形成以及在固化期间)。在靠近各层边界(即，横向的层边界，而不是层的平面)的各部分，以及当其作为整体靠近组件402的边界时，基体材料的移动尤其突出。此外，可能存在纤维增强材料的移动(例如，剪切和/或铺展)，和/或基体材料在这些位置向预制件404或组件402外的移动。通过经验分析，申请人已经确定了CPT和层的一部分与该层边界的接近度和/或其与组件边界的接近度之间的多个关系。这些关系还取决于(至少)复合材料的性质和制造条件(例如温度和压力)。
申请人还发现，层部分的局部曲率与其CPT有关，并且因此已经凭经验确定了曲率和CPT之间的多个关系。申请人认为该关系的产生是由于层曲率导致的邻近丝束和/或邻近丝束层之间间隙和/或重叠的存在。希望最小化在层中间隙和/或重叠的存在以确保组件紧密地符合指定的设计。然而，在存在高度局部曲率的地方和/或曲率的性质排除了合适或“悬垂”层的地方，可能形成间隙和/或重叠。合适或悬垂层是可以直接映射到弯曲表面上的层。例如，在局部曲率与可展开表面(即，具有零高斯曲率的表面)相对应的情况下，这可能不会导致形成间隙和/或重叠。可展开表面是可以映射到平面而不变形的表面。相反，具有非零高斯曲率的表面可能导致形成间隙和/或重叠，因为可能需要层围绕弯曲的局部几何形状变形(称为非测地转向)。
因此，申请人已经确定了与局部曲率的程度和性质相对应的关系。申请人已经基于各层部分的参考表面18的局部曲率确定了这些关系。然而，应当理解的是，可以使用任何合适的局部曲率指标(诸如下方层的曲率，或者组件体积12的局部曲率)。
上述经验导出的局部曲率和CPT之间的关系可以被认为是在预制件中，作为邻近丝束和/或层之间间隙和/或重叠的结果的，CPT和局部自由体积之间的间接关系。
此外，申请人已经开发了确定沿着头路径的复合材料的一部分的局部自由体积的度量，这可以基于模拟(即，确定)丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定。具体地，自由体积可以通过限定初始铺层表以及随后基于该初始铺层表确定对应的头路径(106)来确定。然后可以分析头路径以确定可能发生间隙和/或重叠的位置，即，通过模拟丝束和/或层并确定这些可能发散和聚集的位置。或者，可以仅基于局部曲率，基于通过经验测试确定的关系，来确定对自由体积的估算。因此，可以确定与沿着头路径(或者在组件体积12内)的位置相关的局部自由体积的度量，并将其存储在存储器中。然后可以基于局部自由体积的度量重新限定铺层表(604)。可以在迭代过程中重新限定头路径和铺层表。或者，可以仅基于层形状(即，在估算可变CPT之前)头路径一次可以被一层限定，在这种情况下，可以基于各层和任何在先层中的自由体积的度量，估算每一层的CPT评估。
在本实施例中，CPT被估算为在每一层宽度上(即，在每一层的整体上)的可变量。在其他实施例中，CPT可以仅被估算为组件体积12的一个或多个离散区域上的可变量，例如，可变CPT效应特别重要的区域。CPT可以被假定为在层的其他部分或区域上是恒定的，或者可以使用不同的模型(例如，使用不同的局部条件)来估算。例如，可变CPT效应在复合风扇叶片主体402的根部可能具有更大的影响，在这里复合材料的层数明显多于主体402的翼部中复合材料的层数。因此，在这样的实施例中，CPT可以被估算为在对应于组件体积的选定区域的每一层的一部分上的可变量。
根据适于调节可变CPT的方法(614)，层20被模拟为被施加到组件体积中。在本示意实施例中，使用离散方法来模拟层20，通过该方法，每一参考表面18依次被离散为2D网格，并且基于每一网格元素的每一节点处的局部条件来估算CPT(如图8中所示)。随后，通过网格沿着大体的铺叠轴24增长对应于每一网格节点所估算的CPT的可变距离来模拟每一层20的CPT，因此形成体积单元的3D网格层。
在本示意实施例中，当网格增长到对应于组件体积12的侧壁(即，在铺叠表面14与目标表面16的边界之间延伸的壁)时，网格被修改。在本示意实施例中，邻近组件体积12的侧壁的网格元素沿着侧壁增长，从而邻近侧壁的网格节点相对于下方的网格节点横向移位。如本领域已知的，可以应用网格平滑程序来调整每一网格层，以避免靠近边界的单元聚集。
因此，待限定的每一层20的参考表面18可以被限定为下方的3D网格的表面。举例来说，每层中可以有至少10,000个网格单元。
在其他实施例中，可以为每一参考表面18和对应层20创建新的2D网格。因此，层与层之间网格节点的数量和分布、面和单元可能不同。这样的方法可以避免在复杂几何形状的单元边界处单元的聚集。
一旦模拟了足够的层20以填满组件体积，就将包括连续层(即，至少层的形状和相对位置)限定的铺层表204输出到资源，在本实施例中资源是计算机的存储器。
应当理解，可以使用限定和偏移参考表面18以限定层形状以及模拟每一连续层的其他方法。例如，可以基于点云方法或表面方程来限定和偏移参考表面。
示例2
在根据本发明并且在图7(704)中示出的另一示例中，使用基于如上所述对恒定CPT的第一估算的先前考虑的层限定方法(104)，并且基于如上所述对可变CPT的改进的第二估算来调整组件体积12以补偿误差。
在本示意实施例中，如上所述限定了对应于待制造组件的第一组件体积12。基本如上所述，基于恒定CPT限定了第一版本的铺层表706(104)。具体地，将多个复合材料连续层20限定和模拟为依次被施加到组件体积12中(110、112)，直至确定组件体积被填满。对于每一层20，如上所述限定层形状(110)，CPT基于对恒定CPT的第一估算，并且层被模拟为被施加到组件体积12(112)中。将第一版本的铺层表706输出到资源，在本实施例中资源是计算机存储器。
随后，使用对可变CPT的第二估算来为每一层提供对CPT的改进的估算(712)，并且再次模拟层20(714)，以基于第一铺层表706的模拟的层20的累积厚度来确定误差体积720(722)。根据对可变CPT的第二估算，层的一部分的CPT如上关于第一示意实施例所述依赖于局部条件而变化，包括所选的一个或多个局部条件的依赖关系形成由以下组成的组：
组件体积内该部分的位置；
各层内该部分的位置；
该部分和/或参考表面18(或者下方层20或铺叠表面14)的曲率；
基于模拟丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定该部分的局部自由体积。
因此误差体积720表示可以根据第一版本的铺层表406制造的组件402的模拟版本。
随后，比较误差体积720与组件体积12，以确定与组件体积12和误差体积720之间的厚度差相关的厚度误差724(726)。在本示意实施例中，基于比较组件体积的目标表面16和误差体积720的对应表面来确定厚度误差724，以确定沿着大体的铺叠轴24在整个目标表面16上多个点的偏移或误差向量，从而形成误差向量的度量，误差向量的度量表示目标表面上的误差。
然后将厚度误差724应用于组件体积12的目标表面16，以限定误差补偿体积730(728)，其中误差是镜像的(710)。例如，如果发现厚度误差724总体上是正的，从而误差体积720通常延伸超过(即，大于)组件体积12，将从组件体积12的目标表面16中减去厚度误差向量，从而误差补偿体积730相应地小于误差补偿体积12。
因此，误差补偿体积730不直接与待制造组件402相对应。
然后使用上述层限定方法(104)，通过将多个复合材料连续层20模拟为被施加到第二组件体积13中，再次基于对恒定CPT的第一估算，来限定第二版本的铺层表708。
因此，基于对CPT的恒定估算以及误差补偿体积730限定第二版本的铺层表708，其中误差补偿体积730不直接与待制造组件的形状相对应。然而，由于误差补偿体积730是基于对可变CPT的第二估算来限定的，并且具体地被限定以便反映使用对恒定CPT的第一估算来生成组件402将导致的误差，申请人已经发现，第二版本的铺层表708导致了与所设计组件紧密对应的固化组件402。
在本第二示意实施例中，然后以与以上关于第一示意实施例所述方式同样的方式，基于第二版本的铺层表708铺叠(302)和固化(304)组件的预制件404。
本发明的第二示意实施例的特定优点在于，基于恒定CPT设计铺层表的现有计算机实现的过程可以被用于限定铺层表，并且通过适当地限定这些过程的体积(即，通过在误差补偿体积中反映厚度误差)，该铺层表是基于对CPT的可变估算。
在其他实施例中，对CPT的第一估算可以是非恒定的，但可以是对CPT的初始或粗略估算，而对可变CPT的第二估算是更准确或精确的估算。
在前面的描述中，已经使用括号中的附图标记标识了方法的步骤，而使用没有括号的附图标记标识了物理和模拟物品，诸如组件10和组件体积12。
图9示出了用于执行设计复合组件铺层表的方法，并且可选地执行铺叠过程以铺叠复合组件的控制装置910和铺叠设备406的示意图。控制装置910包括控制器912、用户输入设备918和输出设备919。在一些示例中，装置910可以是模块。如本文所使用的，措辞“模块”是指其中一个或多个特征在稍后时间，并且可能被另一制造商或被终端用户所包括的装置或设备。例如，在装置是模块的情况下，该装置可以仅包括控制器，并且剩余特征可以由另一制造商或由终端用户添加。
控制器912、用户输入设备918和输出设备919可以经由无线链路彼此耦合，并且因此可以包括收发器电路和一个或多个天线。附加地或可选地，控制器912和包括用户输入设备和输出设备的控制装置910的各种其他组件可以经由有线链路彼此耦合，并且因此可以包括接口电路(诸如通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)插座)。应当理解的是，控制器、用户输入设备和输出设备可以经由有线和无线链路的任何组合而彼此耦合。
控制器912可以包括任何合适的电路以导致执行本文参考图6-8所述的方法。控制器912可以包括：至少一个专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)；和/或至少一个现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)；和/或单个或多个处理器架构；和/或顺序(Von Neumann，冯诺依曼)/并行架构；和/或至少一个可编程逻辑控制器(programmable logic controllers，PLCs)；和/或至少一个微处理器；和/或至少一个微控制器；和/或中央处理单元(central processing unit，CPU)；和/或图形处理单元(graphics processing unit，GPU)来执行这些方法。
作为示例，控制器可以包括至少一个处理器914和至少一个存储器916。存储器916存储包括计算机可读指令的计算机程序917，在计算机可读指令被处理器读取时导致执行本文参考图6-8所述的方法。计算机程序917可以是软件或固件，或者可以是软件和固件的组合。
处理器914可以包括至少一个微处理器并且可以包括单核处理器，可以包括多个处理器核(诸如双核处理器或四核处理器)，或者可以包括多个处理器(其中至少一个可以包括多个处理器核)。
存储器916可以是任何合适的非暂时性计算机可读存储介质，一个或多个数据存储设备，并且可以包括硬盘和/或固态存储器(诸如闪存)。存储器可以是永久性不可移动存储器，也可以是可移动存储器(诸如通用串行总线(USB)闪存驱动器)。
存储器916还存储组件和材料数据库以及粘合强度参数。
计算机程序917可以存储在非暂时性计算机可读存储介质上。计算机程序917可以从非暂时性计算机可读存储介质传送到存储器916。非暂时性计算机可读存储介质916可以是，例如，USB闪存驱动器、光盘(compact disc，CD)，数字多功能盘(digital versatiledisc，DVD)或者蓝光光盘。在一些示例中，计算机程序917可以经由无线信号或经由有线信号被传送到存储器916。
用户输入设备918可以包括用于让操作员至少部分地控制装置的任何合适的设备。例如，用户输入设备918可以包括键盘、小键盘、触摸板、触摸屏显示器和计算机鼠标中的一个或多个。控制器912被配置为从用户输入设备接收信号。
输出设备919可以是用于向用户传达信息的任何合适的设备。例如，输出设备可以是显示器(诸如液晶显示器、或发光二极管显示器，或有源矩阵有机发光二极管显示器、或薄膜晶体管显示器、或阴极射线管显示器)，和/或扬声器，和/或打印机(诸如喷墨打印机或激光打印机)。控制器912被设置为向输出设备919提供信号以使输出设备向用户传达信息。
控制装置还包括用于接收限定组件体积的数据的输入接口920，以及用于将铺层表数据提供给铺叠设备406的输出接口922。控制装置910可以是计算机。
铺叠设备406包括另一控制器412，铺放头408和工具410。控制器412被配置为基于从控制器412接收到的指令控制铺放头408和/或工具410进行相对移动。在其它实施例中，可以只有控制装置的控制器912(即，可能没有控制器412)，控制器912可以直接控制铺叠设备406。
应当理解，本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本文所述概念的情况下进行各种修改和改进。除非在相互排斥的情形下，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开延伸至并包括本文所述一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (24)

1.一种设计复合组件的铺层表的方法，包括：
限定与待制造的复合组件相对应的组件体积；
限定多个复合材料连续层以填充所述组件体积；
基于对可变固化层厚度的估算，模拟所述多个复合材料连续层中的至少一些层，其中，通过以下步骤估算所述可变固化层厚度：
模拟各复合材料层的至少一部分；以及
至少部分地基于所述部分的局部条件，估算复合材料所述部分的固化层厚度；以及
基于多个模拟的层，限定铺层表。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于多个层，限定所述复合组件的铺层表。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，限定和模拟每一层的步骤可以针对每一层顺序地进行，使得多个连续层中的第二层至少部分地基于多个中模拟的第一层来限定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，组件体积包括起始表面和目标表面，其中多个层被限定为从所述起始表面到所述目标表面依次地填充所述组件体积；并且其中限定多个连续层中的每一层包括：
基于下方表面限定层的参考表面；
将所述参考表面投影到所述目标表面上以限定相交边界；以及
基于所述相交边界为所述层限定层边界。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相交边界被投影到层的所述参考表面上或者与模拟的层对应的表面上以限定所述层边界。
6.根据前述任一项所述的方法，其特征在于，
其中，多个复合材料连续层是被限定为基于对固化层厚度的第一估算填充所述组件体积的第一多个连续层；
其中，对可变固化层厚度的估算是对固化层厚度的第二估算；
其中，基于对固化层厚度的第二估算，第一多个复合材料连续层中的至少一些被模拟以限定误差体积；所述方法还包括：
基于所述误差体积和所述组件体积，限定误差补偿体积；
基于对固化层厚度的所述第一估算，限定第二多个复合材料连续层以填充所述误差补偿体积；以及
其中，所述铺层表是基于第二多个模拟的层限定的。
7.根据前述任一项所述的方法，其特征在于，至少部分地基于从由以下组成的组中选择的一个或多个部分的局部条件，估算复合材料层的一部分的固化层厚度：
所述组件体积内所述部分的位置；
各层内所述部分的位置；
施加到所述组件体积中时所述部分的曲率；以及
通过模拟丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定模拟的组件体积中所述部分的局部自由体积。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，估算复合材料层的一部分的固化层厚度包括：
确定所述组件体积内所述部分的位置；
根据所述部分与所述组件体积的边界的接近度来估算所述部分的固化层厚度。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，估算复合材料层的一部分的固化层厚度包括：
确定各层内所述部分的位置；
根据所述部分与层边缘的接近度来估算所述部分的固化层厚度。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其特征在于，估算复合材料层的一部分的固化层厚度包括：
确定与所述部分相关联的曲率的度量；
根据所述曲率估算所述部分的固化层厚度。
11.根据权利要求6-10中任一项所述的方法，其特征在于，估算复合材料层的一部分的固化层厚度包括：
通过确定丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在来确定模拟组件体积中所述部分的局部自由体积的度量；
基于所述自由体积的度量估算固化层厚度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定用于铺叠模拟的层的头路径的至少一部分，以及
其中基于根据所述头路径将丝束和/或层模拟为被施加到所述组件体积中，确定丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过分析根据所述头路径被施加到所述组件体积中时的丝束和/或层的接近性，确定丝束和/或复合材料层之间间隙和/或重叠的存在。
14.根据前述任一项所述的方法，其特征在于，使用离散网格来模拟多个复合材料连续层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当每一复合材料层被模拟时，所述离散网格逐层增长。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，为每一模拟的层限定单独的离散网格。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其特征在于，在网格节点处估算可变固化层厚度。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的方法，其特征在于，每一网格层的高度随着估算的固化层厚度变化。
19.一种铺叠复合组件的预制件的方法，包括：
根据前述任一项权利要求限定复合材料的铺层表；
控制复合铺叠设备铺叠所述铺层表中限定的每一层以形成预制件。
20.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法是计算机实现的。
21.一种包括计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机可读指令被计算机读取时，导致根据前述任一项权利要求所述的方法的执行。
22.一种包括计算机可读指令的信号，其特征在于，当所述计算机可读指令被计算机读取时，导致根据权利要求1-20中任一项所述的方法的执行。
23.一种计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被计算机读取时，导致根据权利要求1-20中任一项所述的方法的执行。
24.一种装置，其特征在于，所述装置包括：
至少一个处理器；
至少一个包括计算机可读指令的存储器；
所述至少一个处理器被配置为读取所述计算机可读指令并且导致根据权利要求1-20中任一项所述的方法的执行。
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