CN110714259A - 一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，该方法依据编织陶瓷基复合材料的铺层型面，自动实现在铺层代表曲面的平纹编织纱线投影路径绘制，为后续的编织陶瓷基复合材料的工艺仿真研究以及有限元计算建立了基础。本发明纱线路径的仿真过程完全实现了参数化，当铺层角度、纱线间距发生变化时，可以仅通过修改参数达到快速修改纱线路径的目的。本发明在建立纱线路径模型时采用了最短路径的方式，根据设定主方向和曲面的几何型面自动生成纱线路径，模拟了平纹编织布铺设成预制体铺层后各纱线的变形结果，对预制体铺层的成型有较为真实的体现。

Description

一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法

技术领域

本发明属于平纹编织复合材料铺层设计技术领域，具体涉及一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMCs)有高强度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗烧蚀等特点，具有代替金属作为航空发动机热端部件材料的潜力，CMCs的研究成为航空材料领域研究的热门。其中，编织CMCs是CMCs的主要类型，包括2维编织CMCs、2.5维编织CMCs和3维编织CMCs等。编织CMCs具有复杂的预制体结构，其复杂性很大程度取决于各平纹编织层的型面复杂度，因此预制体铺层纱线路径的仿真在编织CMCs细观结构分析中起到关键作用，建立能反映编织CMCs预制体/结构铺层几何型面的纱线路径是有必要的。

目前对CMCs预制体纱线的建模和规划方法主要分为两种。第一种方法是计算机识别法，该方法首先通过XCT技术获得CMCs预制体的内部图像，然后通过计算机图形识别技术识别出预制体的经纱和纬纱，将每一幅图片堆叠起来获得编织CMCs预制体的纱线模型(见中国专利CN106469454A《一种复合材料细观结构的计算机图形识别技术和三维建模方法》)。但是该技术只能根据已制造出的结构件进行识别和建模，不能根据所设计的模型进行纱线路径仿真和建模。

第二种方法是在任意曲面上进行纱线路径仿真。该方法通过某一平面截取目标曲面获得基线，然后采用一些等距算法规划出整体曲面的纱线路径(见符文贞，吴建军，赵玉静等.复合材料铺层曲面铺设仿真技术[J].玻璃钢/复合材料，2010(5))。实际的预制体成型过程是将编织纤维布铺设到具有复杂型面的结构模具中，纱线路径从二维直线变为三维曲线。而且采用等距算法求出的各纱线间距处处相同，但实际的铺设结果并非如此，将具有等间距纱线的二维纤维布铺敷到三维曲面后，由于变形，纱线位置会发生一定的变化，从而不会继续保持纱线各处间距相等。

因此有必要设计一种编织CMCs预制体纱线路径仿真方法，采用参数的形式完成路径设计，能够模拟纱线映射到三维曲面上的变形结果。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，该方法也可适用于其他类型的编织复合材料。该方法可以根据铺层型面、纱线间距、铺层角度等信息自动生成纱线路径。同时参数化的设计使得对纱线信息可作快速修改，应用范围更广。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：输入曲面几何模型，抽取曲面几何模型每一铺层的中位面作为代表曲面；

步骤二：对代表曲面进行三角形单元网格划分，得到划分网格后的代表曲面数据；

步骤三：对代表曲面数据进行结构化处理，建立曲面、三角形单元、边、点四者之间相互联系的数据结构；

步骤四：对代表曲面进行边界提取，确定曲面的主边界；

步骤五：在主边界中选取曲面主方向基点，求出主方向基线，并提取曲面中心点；

步骤六：根据主方向基线、曲面中心点和纱线铺设角度，确定经纱基线和纬纱基线；

步骤七：对经纱基线路径进行分段，基于分段后的经纱基线，求出所有经纱路径；

步骤八：对纬纱基线路径进行分段，基于分段后的纬纱基线，求出所有纬纱路径。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤二中，代表曲面数据包括单元编号、点编号、各单元包含的点编号、点坐标。

进一步地，步骤四中，主边界通过边的邻域三角形数量进行确定，数量为1则为边界边。

进一步地，步骤五中，在主边界中选取曲面主方向基点A和B，通过最短路径算法求出主方向基线，并提取曲面中心点P。

进一步地，步骤六具体如下：

步骤6.1：以曲面主方向基点A开始，按照逆时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为经纱铺设基线第一端点C；

步骤6.2：以曲面主方向基点B开始，按照逆时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为经纱铺设基线第二端点D；

步骤6.3：以曲面主方向基点A开始，按照顺时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为纬纱铺设基线第一端点E；

步骤6.4：以曲面主方向基点B开始，按照顺时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为纬纱铺设基线第二端点F；

步骤6.5：在C、D间使用最短路径算法求出经纱基线，在E、F间使用最短路径算法求出纬纱基线。

进一步地，步骤6.1到6.4中，对于按照遍历方向顺序取出的边界点O_i，利用最短路径算法求P与O_i间的路径L，若主方向基线与路径L间的夹角β等于α，则O_i为满足纱线铺设角度α的边界点。

进一步地，步骤七具体如下：

步骤7.1：对经纱基线路径进行分段，得到若干离散点O₁、O₂、...、O_j，并选定执行目标点为Q＝O₁；

步骤7.2：以Q为起点，以Q点处经纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r为设定的纱线间距d；

步骤7.3：经纱基线将曲面分成两侧，先求圆柱面与经纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O₁→O_j方向选择下一个执行目标点Q＝O_k，k＝2，...，j，回到步骤7.2；若有交点，则取其交点M作为新的经纱第一基点；

步骤7.4：选定执行目标点为Q＝O_j；

步骤7.5：以Q为起点，Q点处经纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r为设定的纱线间距d；

步骤7.6：求圆柱面与经纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O_j→O₁方向选择下一个执行目标点Q＝O_k，k＝2，...，j，回到步骤7.5；若有交点，则取其交点N作为新的经纱第二基点；

步骤7.7：利用最短路径算法求曲面中M点到N点的最短路径，并将其作为新的经纱基线；

步骤7.8：按照步骤7.1到7.7的方法求出初始的经纱基线一侧的所有经纱路径；

步骤7.9：按照步骤7.1到7.8的方法求出初始的经纱基线另一侧的所有经纱路径，此时经纱路径求解完成。

进一步地，步骤八具体如下：

步骤8.1：对纬纱基线路径进行分段，得到若干离散点O₁′、O₂′、…、O_j′，并选定执行目标点为Q′＝O₁′；

步骤8.2：以Q′为起点，以Q′点处纬纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r′为设定的纱线间距d；

步骤8.3：纬纱基线将曲面分成两侧，先求圆柱面与纬纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O₁′→O_j′方向选择下一个执行目标点Q′＝O_k′，k＝2，...，j，回到步骤8.2；若有交点，则取其交点M′作为新的纬纱第一基点；

步骤8.4：选定执行目标点为Q′＝O_j′；

步骤8.5：以Q′为起点，Q′点处纬纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r′为设定的纱线间距d；

步骤8.6：求圆柱面与纬纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O_j′→O₁′方向选择下一个执行目标点Q′＝O_k′，k＝2，...，j，回到步骤8.5；若有交点，则取其交点N′作为新的纬纱第二基点；

步骤8.7：利用最短路径算法求曲面中M′点到N′点的最短路径，并将其作为新的纬纱基线；

步骤8.8：按照步骤8.1到8.7的方法求出初始的纬纱基线一侧的所有纬纱路径；

步骤8.9：按照步骤8.1到8.8的方法求出初始的纬纱基线另一侧的所有纬纱路径，此时纬纱路径求解完成。

本发明的有益效果是：

1)本发明依据编织陶瓷基复合材料的铺层型面，自动实现在铺层代表曲面的平纹编织纱线投影路径绘制，为后续的编织陶瓷基复合材料的工艺仿真研究以及有限元计算建立了基础；

2)本发明纱线路径的仿真过程完全实现了参数化，当铺层角度、纱线间距发生变化时，可以仅通过修改参数达到快速修改纱线路径的目的；

3)本发明在建立纱线路径模型时采用了最短路径的方式，根据设定主方向和曲面的几何型面自动生成纱线路径，模拟了平纹编织布铺设成预制体铺层后各纱线的变形结果，对预制体铺层的成型有较为真实的体现。

附图说明

图1是曲面的边界拾取示意图。

图2是曲面主方向基点选取、主方向基线确定、曲面中心点确定示意图。

图3是曲面中经纱、纬纱基线确定方法示意图。

图4是曲面中经纱、纬纱基点确定方法流程图。

图5是曲面中经纱、纬纱基线示意图。

图6是新纱线求解示意图。

图7是15°扭转曲面纱线路径结果示意图，纱线间距3mm，铺层角度0°。

图8是15°扭转曲面纱线路径结果示意图，纱线间距4mm，铺层角度30°。

图9是特殊型面曲面1纱线路径结果示意图，纱线间距2mm，铺层角度30°。

图10是特殊型面曲面2纱线路径结果示意图，纱线间距2mm，铺层角度30°。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，具体步骤如下：

1)输入曲面几何模型，纱线间距d，纱线铺设角度α。

2)对代表曲面模型进行三角形单元网格划分，得到划分网格后的代表曲面数据，数据包括单元编号、点编号、各单元包含的点编号、点坐标等。

3)对代表曲面数据进行结构化处理，建立曲面、三角形单元、边、点四者之间相互联系的数据结构。

4)对代表曲面进行边界提取，确定曲面的主边界，主边界通过边的邻域三角形(包含该边的三角形)数量进行确定，数量为1则为边界边，如图1所示。

5)在主边界中选取曲面主方向基点A和B，通过最短路径算法求出主方向基线，并提取曲面中心点P，如图2所示

6)如图3所示，以主方向基线端点A开始，按照逆时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为经纱铺设基线第一端点C，经纱铺设基线端点选择流程如图4所示，初始输入数据为O_s＝A，O_e＝B，θ＝α，遍历方向逆时针。

7)如图3所示，以主方向基线端点B开始，按照逆时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为经纱铺设基线第二端点D，经纱铺设基线端点选择流程如图4所示，初始输入数据为O_s＝B，O_e＝A，θ＝α，遍历方向逆时针。

8)如图3所示，以主方向基线端点A开始，按照顺时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为纬纱铺设基线第一端点E，经纱铺设基线端点选择流程如图4所示，初始输入数据为O_s＝A，O_e＝B，θ＝90°-α，遍历方向顺时针。

9)如图3所示，以主方向基点端点B开始，按照顺时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为纬纱铺设基线第二端点F，经纱铺设基线端点选择流程如图4所示，初始输入数据为O_s＝B，O_e＝A，θ＝90°-α，遍历方向顺时针。

10)在C、D间使用最短路径算法求出经纱基线，在E、F间使用最短路径算法求出纬纱基线，如图5所示。

11)对经纱基线路径进行分段，得到若干离散点，如图6所示O₁、O₂、…、O₁₃，并选定执行目标点为Q＝O₁。

12)以Q为起点，Q点处曲线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径为设定的纱线间距，即r＝d。

13)求圆柱面与经纱基线A侧曲面边界的交点。若无交点，则沿基线向内(即图6中

方向)选择下一个离散点Q＝O_k，k＝2、…、13，回到第12步；若有交点，则取其交点M作为新的经纱第一基点。

14)选定执行目标点为Q＝O₁₃。

15)以Q为起点，Q点处经纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径为设定的纱线间距，即r＝d。

16)求圆柱面与经纱基线A侧曲面边界的交点。若无交点，则沿基线向内(即图6中方向)选择下一个离散点Q＝O_k，k＝12、...、1，回到第14步；若有交点，则取其交点N作为新的经纱第二基点。

17)利用最短路径算法求曲面中M点到N点的最短路径，并将其作为新的经纱基线。

18)按照步骤11)～17)的方法求出初始经纱基线A侧的所有经纱路径。

19)按照步骤11)～18)的方法求出初始经纱基线B侧的所有经纱路径，此时经纱求解完成。

20)按照步骤11)～19)的方法求出曲面中纬纱的所有路径，此时全部纱线路径求解完成。

图7到图10示出了采用上述方法进行纱线路径模拟的结果。图7是15°扭转曲面纱线路径结果示意图，纱线间距3mm，铺层角度0°。图8是15°扭转曲面纱线路径结果示意图，纱线间距4mm，铺层角度30°。图9是特殊型面曲面1纱线路径结果示意图，纱线间距2mm，铺层角度30°。图10是特殊型面曲面2纱线路径结果示意图，纱线间距2mm，铺层角度30°。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：输入曲面几何模型，抽取曲面几何模型每一铺层的中位面作为代表曲面；

步骤二：对代表曲面进行三角形单元网格划分，得到划分网格后的代表曲面数据；

步骤三：对代表曲面数据进行结构化处理，建立曲面、三角形单元、边、点四者之间相互联系的数据结构；

步骤四：对代表曲面进行边界提取，确定曲面的主边界；

步骤五：在主边界中选取曲面主方向基点，求出主方向基线，并提取曲面中心点；

步骤六：根据主方向基线、曲面中心点和纱线铺设角度，确定经纱基线和纬纱基线；

步骤七：对经纱基线路径进行分段，基于分段后的经纱基线，求出所有经纱路径；

步骤八：对纬纱基线路径进行分段，基于分段后的纬纱基线，求出所有纬纱路径。

2.如权利要求1所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤二中，代表曲面数据包括单元编号、点编号、各单元包含的点编号、点坐标。

3.如权利要求1所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤四中，主边界通过边的邻域三角形数量进行确定，数量为1则为边界边。

4.如权利要求1所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤五中，在主边界中选取曲面主方向基点A和B，通过最短路径算法求出主方向基线，并提取曲面中心点P。

5.如权利要求4所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤六具体如下：

步骤6.1：以曲面主方向基点A开始，按照逆时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为经纱铺设基线第一端点C；

步骤6.2：以曲面主方向基点B开始，按照逆时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为经纱铺设基线第二端点D；

步骤6.3：以曲面主方向基点A开始，按照顺时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为纬纱铺设基线第一端点E；

步骤6.4：以曲面主方向基点B开始，按照顺时针方向遍历边界点，选择满足纱线铺设角度α的边界点作为纬纱铺设基线第二端点F；

步骤6.5：在C、D间使用最短路径算法求出经纱基线，在E、F间使用最短路径算法求出纬纱基线。

6.如权利要求5所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤6.1到6.4中，对于按照遍历方向顺序取出的边界点O_i，利用最短路径算法求P与O_i间的路径L，若主方向基线与路径L间的夹角β等于α，则O_i为满足纱线铺设角度α的边界点。

7.如权利要求1所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤七具体如下：

步骤7.1：对经纱基线路径进行分段，得到若干离散点O₁、O₂、…、O_j，并选定执行目标点为Q＝O₁；

步骤7.2：以Q为起点，以Q点处经纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r为设定的纱线间距d；

步骤7.3：经纱基线将曲面分成两侧，先求圆柱面与经纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O₁→O_j方向选择下一个执行目标点Q＝O_k，k＝2，...，j，回到步骤7.2；若有交点，则取其交点M作为新的经纱第一基点；

步骤7.4：选定执行目标点为Q＝O_j；

步骤7.5：以Q为起点，Q点处经纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r为设定的纱线间距d；

步骤7.6：求圆柱面与经纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O_j→O₁方向选择下一个执行目标点Q＝O_k，k＝2，...，j，回到步骤7.5；若有交点，则取其交点N作为新的经纱第二基点；

步骤7.7：利用最短路径算法求曲面中M点到N点的最短路径，并将其作为新的经纱基线；

步骤7.8：按照步骤7.1到7.7的方法求出初始的经纱基线一侧的所有经纱路径；

步骤7.9：按照步骤7.1到7.8的方法求出初始的经纱基线另一侧的所有经纱路径，此时经纱路径求解完成。

8.如权利要求1所述的一种编织陶瓷基复合材料预制体铺层纱线路径模拟方法，其特征在于：步骤八具体如下：

步骤8.1：对纬纱基线路径进行分段，得到若干离散点O₁′、O₂′、…、O_j′，并选定执行目标点为Q′＝O₁′；

步骤8.2：以Q′为起点，以Q′点处纬纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r′为设定的纱线间距d；

步骤8.3：纬纱基线将曲面分成两侧，先求圆柱面与纬纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O₁′→O_j′方向选择下一个执行目标点Q′＝O_k′，k＝2，...，j，回到步骤8.2；若有交点，则取其交点M′作为新的纬纱第一基点；

步骤8.4：选定执行目标点为Q′＝O_j′；

步骤8.5：以Q′为起点，Q′点处纬纱基线的切向量为方向做圆柱面，圆柱面半径r′为设定的纱线间距d；

步骤8.6：求圆柱面与纬纱基线一侧曲面边界的交点，若无交点，则沿基线O_j′→O₁′方向选择下一个执行目标点Q′＝O_k′，k＝2，...，j，回到步骤8.5；若有交点，则取其交点N′作为新的纬纱第二基点；

步骤8.7：利用最短路径算法求曲面中M′点到N′点的最短路径，并将其作为新的纬纱基线；

步骤8.8：按照步骤8.1到8.7的方法求出初始的纬纱基线一侧的所有纬纱路径；

步骤8.9：按照步骤8.1到8.8的方法求出初始的纬纱基线另一侧的所有纬纱路径，此时纬纱路径求解完成。

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