CN111766343A - 一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法 - Google Patents

一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，包括输入待铺放模具曲面的三维模型、预浸带、铺放工艺参数组合；然后通过曲面铺放实验得到给定铺放工艺参数组合下预浸带的变形能力；基于该变形能力，判断在模具曲面上铺放预浸带是否会导致铺放褶皱问题产生；最后判断在模具曲面上铺放预浸带是否会导致铺放间隙问题产生，并输出相关结论。在实际生产前能够通过本发明确定预浸带的型号、宽度以及铺放工艺参数的组合是否合适，若不合适则可进行针对性的调整，从而避免在生产过程中出现铺放问题影响最终产品的质量或导致需要重新铺放影响生产效率。

Description

一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法
技术领域
本发明涉及复合材料自动铺带成型技术领域，具体涉及一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法。
技术背景
自动铺带技术是一种增量制造技术，适用于制造翼面、壁板等大尺寸、小曲率复合材料构件，具有加工成本低、效率高等特点。该工艺以带有背衬纸的单向预浸带为原料，利用自动铺带机床在一定的铺放工艺参数组合下铺贴到模具曲面上，铺放过程中需避免铺放褶皱以及铺放间隙问题的产生，自动铺带工艺所采用的预浸带宽度通常有75mm、150mm、300mm三种规格，其中宽一些的带料适用于铺放平缓的曲面。
在实际生产前确定某一型号、宽度的预浸带在指定工艺参数组合下能否铺贴到模具曲面上而不产生褶皱、间隙等问题一直受到工业界与学术界的密切关注。目前，复合材料铺带构件生产厂商在判定铺放过程是否产生铺放问题时大多采用“试铺法”，即在实际生产前先进行尝试性的铺放，这一方面浪费带料，另一方面影响效率。文献“Placementsuitability criteria of composite tape for mould surface in automated tapeplacement.Chinese Journal of Aeronautics,2015,28:1574-1581”提出了一种曲面铺放适宜性判断方法，该方法可以预测自动铺带过程是否会产生铺放褶皱，但该方法无法判断铺放过程是否会导致铺放间隙问题。
公布号为CN106529057A的发明申请公开了测量曲面自动铺放中预浸料窄带或干丝不发生屈曲的最小测地半径的方法，上述专利申请由于未考虑模具曲面高斯曲率对预浸料变形的影响，因此通常情况下适用于窄带铺放，另外也无法预测铺放过程是否会出现间隙问题。
文献“碳纤维预浸带自动铺放轨迹规划与铺放适宜性研究”，基于平面弯曲实验得出了预浸带的变形能力，给出了铺放过程中预浸带是否发生褶皱的判断准则。但上述研究中通过平面弯曲实验获得的预浸带变形能力应用于曲面铺放中可能存在精度不高的问题；另外，这项研究只是建立了是否会发生褶皱的判据，但是无法判断是否会发生过大间隙以及无法判断能否利用预浸带变形能力消除掉这些过大间隙。
总之，现有的方法难以有效评价预浸带的曲面可铺性，尤其是在判断铺放过程中是否会产生间隙问题时遇到困难。
发明内容
为了解决现有技术中难以有效评价预浸带的曲面可铺性，尤其是在判断铺放过程中是否会产生间隙的问题，本发明提供一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，包括以下步骤：
步骤1：输入待铺放模具曲面S的三维模型、预浸带{T}、自动铺带机铺放工艺参数组合{P}；
步骤2：通过曲面铺放实验获得自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下预浸带{T}允许的变形能力η；
步骤3：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在模具曲面S上铺放预浸带{T}是否会导致铺放褶皱产生；若不会导致铺放褶皱问题，则进入步骤4；反之，则输出结论并结束整个流程；
步骤4：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在模具曲面S上铺放预浸带{T}是否会导致铺放间隙问题产生；
步骤5：根据模具曲面S上是否存在无法完全消除的铺放间隙问题，输出相关结论。
进一步的，步骤1中所述预浸带{T}包括预浸带型号和预浸带宽度，所述自动铺带机铺放工艺参数组合{P}包括铺放温度、铺放压力、铺放速度。
进一步的，步骤2中包括以下步骤：
2.1、利用自动铺带机床将预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下沿着等测地曲率曲线铺放到半径为R的球面模具上；
2.2、不断增加等测地曲率曲线上测地曲率的幅值直到铺放褶皱产生，记录刚好出现铺放褶皱时测地曲率的大小为kg0；
2.3、利用公式
Figure BDA0002582205380000021
计算预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力η，其中W表示预浸带宽度；
2.4、将预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力η记录于铺放工艺参数数据库M中，以后同一型号、宽度的预浸带在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力可直接在工艺参数数据库中查找获得，而无需再进行曲面铺放实验。
进一步的，所述球面模具半径为5m。
进一步的，步骤3中包括以下步骤：
3.1、计算模具曲面S上高斯曲率绝对值的最大值：Kmax＝max(|K|)，其中K表示模具曲面S高斯曲率的分布；
3.2、计算模具曲面S上预浸带{T}沿等测地曲率曲线铺放时所产生的最大变形εmax：
Figure BDA0002582205380000031
3.3、若预浸带{T}最大变形在其允许变形范围内，即满足不等式εmax≤η时，带料将不发生褶皱，反之则会产生铺放褶皱；
3.4、若预浸带{T}不产生铺放褶皱，则进入步骤4，反之则结束整个流程并输出结论。
进一步的，所述结论为在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时会导致铺放褶皱的产生，此时需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度W。
进一步的，步骤4中包括以下步骤：
4.1、在模具曲面S一处短边界上设置多个铺放起始点，同时保证相邻铺放起始点在该模具边界上的距离为W+1；
4.2、将位于边界中心区域的铺放起始点标记为O0，然后从O0开始，沿着与该短边界垂直的方向构造测地线A0；
4.3、将位于A0延伸方向左侧的铺放起始点依次记为OL1、OL2…OLn-1、OLn，将位于A0延伸方向右侧的铺放起始点依次记为OR1、OR2…ORn-1、ORn；
4.4、过点OLn-1与ORn-1分别构造A0的测地平行线ALn-1以及ARn-1；
4.5、从点OLn与ORn开始，沿着与短边界垂直的方向分别构造测地线ALn以及ARn；
4.6、判断模具曲面S上是否会出现铺放间隙问题，并判断所出现的铺放间隙问题能否利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除。
进一步的，步骤4.6中包括判断模具曲面S在A0延伸方向左侧的区域是否会出现铺放间隙问题，具体方法包括：计算轨迹ALn-1与轨迹ALn之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L，然后根据END_GAP_L的大小分为以下三种情况：
情况1：如果0≤END_GAP_L≤2.5mm，则说明左侧的区域带料间不会产生铺放间隙问题；
情况2：如果END_GAP_L>2.5mm，则说明左侧的区域带料间会产生分开的铺放间隙问题；此时则利用规定测地线ALn′代替ALn；
其中，ALn′上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000032
公式中K(Q)表示模具曲面S在Q点的高斯曲率，Ratio为比例系数；为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L′≤2.5mm，记录此时比例系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明左侧的区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明左侧的区域带料间过大分开的铺放间隙无法完全消除，然后转到步骤5；
情况3：如果END_GAP_L＜0，则说明左侧的区域带料间会产生覆盖的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ALn”代替ALn；
其中，ALn”上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000041
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L”≥0，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明左侧的区域带料间虽然会产生覆盖的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}的允许变形能力η进行消除，然后转到S2；反之，则说明左侧的区域带料间覆盖的铺放间隙问题无法完全消除，然后转到步骤5。
进一步的，步骤4.6中包括判断模具曲面S在A0延伸方向右侧的区域是否会出现铺放间隙问题，具体方法包括：计算轨迹ARn-1与轨迹ARn之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R，然后根据END_GAP_R的大小分为以下三种情况：
情况1：如果0≤END_GAP_R≤2.5mm，则说明右侧的区域带料间不会产生铺放间隙问题；
情况2：如果END_GAP_R>2.5mm，则说明右侧的区域带料间会产生分开的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ARn'代替ARn；
其中，ARn'上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000042
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R′≤2.5mm，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明右侧的区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明右侧的区域带料间过大分开的铺放间隙无法完全消除；
情况3：如果END_GAP_R＜0，则说明右侧的区域带料间会产生覆盖的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ARn”代替ARn；
其中，ARn”上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000051
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R”≥0，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明右侧的区域带料间虽然会产生覆盖的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明右侧的区域带料间覆盖的铺放间隙问题无法完全消除。
进一步的，步骤5中包括以下两种情况：
情况1：若模具曲面S上整个区域均未出现无法完全消除的铺放间隙问题，则结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时不会导致铺放褶皱或铺放间隙问题的产生；
情况2：若A0延伸方向左侧区域或右侧区域出现了无法完全消除的铺放间隙问题，则结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时会导致铺放间隙问题的产生，此时需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度W。
本发明的有益效果是：
本发明首先输入待铺放模具曲面的三维模型、预浸带宽度、预浸带型号、铺放工艺参数组合；然后通过曲面铺放实验得到给定铺放工艺参数组合下预浸带允许的变形能力；基于该变形能力，判断在模具曲面上铺放预浸带是否会导致铺放褶皱问题产生；最后判断在模具曲面上铺放预浸带是否会导致铺放间隙问题产生，并输出相关结论，通过该判断方法能够用于判断某一型号、宽度的预浸带在指定工艺参数组合下能否铺放至模具曲面上而不产生铺放褶皱以及铺放间隙问题。使得自动铺带构件生产商可在实际生产前利用本方法确定预浸带的型号、宽度以及铺放工艺参数的组合是否合适，若不合适则可进行针对性的调整，从而避免在生产过程中出现铺放问题影响最终产品的质量或导致需要重新铺放影响生产效率。
附图说明
图1为本发明的总流程图；
图2为步骤3的流程图；
图3为步骤4的流程图；
图4为实施例2中的自由曲面模具；
图5为实施例3中的双曲面模具；
图6为利用测地线A0将整个模具曲面划分为两块大小基本相等的区域，分别进行考虑；
图7为在双曲面模具S2上构造A0的测地平行线ALn-1及ARn-1；
图8为在双曲面模具S2上构造测地线ALn以及ARn；
图9为利用规定测地线ALn′与ARn′分别代替ALn与ARn。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1、图2以及图3所示，本发明提供一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，包括以下步骤：
实施例1
步骤1：输入待铺放模具曲面S的三维模型、预浸带{T}、自动铺带机铺放工艺参数组合{P}，其中预浸带{T}包括预浸带型号和预浸带宽度，自动铺带机铺放工艺参数组合{P}包括铺放温度、铺放压力、铺放速度；
步骤2：通过曲面铺放实验获得自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下预浸带{T}允许的变形能力η；具体包括：
2.1、利用自动铺带机床将预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下沿着等测地曲率曲线铺放到半径为R的球面模具上，优选的球面模具半径为5m；
2.2、不断增加等测地曲率曲线上测地曲率的幅值直到铺放褶皱产生，记录刚好出现铺放褶皱时测地曲率的大小为kg0；
2.3、利用公式
Figure BDA0002582205380000071
计算预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力η，η表示预浸带{T}单位长度上边界纤维相对于中心纤维滑移的极限，W表示预浸带宽度；
2.4、将预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力η记录于铺放工艺参数数据库M中，以后同一型号、宽度的预浸带在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力可直接在工艺参数数据库中查找获得，而无需再进行曲面铺放实验。
步骤3：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在模具曲面S上铺放预浸带{T}是否会导致铺放褶皱产生；若不会导致铺放褶皱问题，则进入步骤4；反之，则输出结论并结束整个流程；具体包括：
3.1、计算模具曲面S上高斯曲率绝对值的最大值：Kmax＝max(|K|)，其中K表示模具曲面S高斯曲率的分布；
3.2、计算模具曲面S上预浸带{T}沿测地线铺放时所产生的最大变形εmax：
Figure BDA0002582205380000072
3.3、若预浸带{T}最大变形在其允许变形范围内，即满足不等式εmax≤η时，带料将不发生褶皱，反之则会产生铺放褶皱；
3.4、若预浸带{T}不产生铺放褶皱，则进入步骤4，反之则结束整个流程并输出结论。其结论为在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时会导致铺放褶皱的产生，此时需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度W。
步骤4：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在模具曲面S上铺放预浸带{T}是否会导致铺放间隙问题产生；具体包括：
4.1、在模具曲面S一处短边界上设置多个铺放起始点，同时保证相邻铺放起始点在该模具边界上的距离为W+1，确保相邻预浸带之间初始铺放间隙大小为1mm；
4.2、将位于边界中心区域的铺放起始点标记为O0，然后从O0开始，沿着与该短边界垂直的方向构造测地线A0；
4.3、将位于A0延伸方向左侧的铺放起始点依次记为OL1、OL2…OLn-1、OLn，将位于A0延伸方向右侧的铺放起始点依次记为OR1、OR2…ORn-1、ORn；
4.4、过点OLn-1与ORn-1分别构造A0的测地平行线ALn-1以及ARn-1，主要目的是利用测地平行线消除ALn-1与ARn-1之间所包络区域内的铺放间隙问题，之后则只需重点考察ALn-1与ALn之间以及ARn-1与ARn之间的铺放间隙问题，提高判断效率；
4.5、从点OLn与ORn开始，沿着与短边界垂直的方向分别构造测地线ALn以及ARn；
4.6、判断模具曲面S上是否会出现铺放间隙问题，包括判断模具曲面S在A0延伸方向左侧的区域是否会出现铺放间隙问题和判断模具曲面S在A0延伸方向右侧的区域是否会出现铺放间隙问题，并判断所出现的铺放间隙问题能否利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；具体方法包括：
针对左侧的区域计算轨迹ALn-1与轨迹ALn之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L，然后根据END_GAP_L的大小分为以下三种情况：
情况1：如果0≤END_GAP_L≤2.5mm，则说明左侧的区域带料间不会产生铺放间隙问题；
情况2：如果END_GAP_L>2.5mm，则说明左侧的区域带料间会产生分开的铺放间隙问题；此时则利用规定测地线ALn′代替ALn；
其中，ALn′上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000081
公式中K(Q)表示模具曲面S在Q点的高斯曲率，Ratio为比例系数；为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L′≤2.5mm，记录此时比例系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明左侧的区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明左侧的区域带料间过大分开的铺放间隙无法完全消除，然后转到步骤5；
情况3：如果END_GAP_L＞0，则说明左侧的区域带料间会产生覆盖的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ALn”代替ALn；
其中，ALn”上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000082
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L”≥0，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明左侧的区域带料间虽然会产生覆盖的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}的允许变形能力η进行消除，然后转到S2；反之，则说明左侧的区域带料间覆盖的铺放间隙问题无法完全消除，然后转到步骤5；
针对右侧的区域计算轨迹ARn-1与轨迹ARn之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R，然后根据END_GAP_R的大小分为以下三种情况：
情况1：如果0≤END_GAP_R≤2.5mm，则说明右侧的区域带料间不会产生铺放间隙问题；
情况2：如果END_GAP_R>2.5mm，则说明右侧的区域带料间会产生分开的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ARn′代替ARn；
其中，ARn′上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000091
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R′≤2.5mm，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明右侧的区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明右侧的区域带料间过大分开的铺放间隙无法完全消除；
情况3：如果END_GAP_R＜0，则说明右侧的区域带料间会产生覆盖的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ARn”代替ARn；
其中，ARn”上任一点Q处的测地曲率为：
Figure BDA0002582205380000092
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R”≥0，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明右侧的区域带料间虽然会产生覆盖的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明右侧的区域带料间覆盖的铺放间隙问题无法完全消除。
步骤5：根据模具曲面S上是否存在无法完全消除的铺放间隙问题，输出相关结论；具体包括以下两种情况：
情况1：若模具曲面S上整个区域均未出现无法完全消除的铺放间隙问题，则结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时不会导致铺放褶皱或铺放间隙问题的产生；
情况2：若A0延伸方向左侧区域或右侧区域出现了无法完全消除的铺放间隙问题，则结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时会导致铺放间隙问题的产生，此时需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度W。
下面，以判断150mm宽的5228/T700型预浸带{T}能否在指定自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下铺放至自由曲面模具S1以及双曲面模具S2上为例，结合附图和实施步骤对本发明的具体实施过程进行详细描述。具体实施过程如下：
实施例2
步骤1：如图4所示，输入自由曲面模具S1的三维模型、预浸带{T}、自动铺带机铺放工艺参数组合{P}，自动铺带机铺放工艺参数组合{P}的铺放温度为33℃、铺放压力为500N、铺放速度为15m/min；
步骤2：通过曲面铺放实验获得铺放工艺参数组合{P}下预浸带{T}允许的变形能力η，具体步骤包括：
(2.1)利用自动铺带机床将预浸带{T}在工艺参数组合{P}下沿着等测地曲率曲线铺放到半径为5m的球面模具上；
(2.2)不断增加等测地曲率曲线上测地曲率的幅值直到铺放褶皱产生，记录刚好出现铺放褶皱时测地曲率的大小为kg0＝7.4×10-6mm-1；
(2.3)利用公式
Figure BDA0002582205380000101
计算预浸带{T}在工艺参数组合{P}下的变形能力，得到η＝6.67×10-4；
(2.4)将150mm宽5228/T700型预浸带在工艺参数组合{P}下的变形能力η记录于铺放工艺参数数据库M中；
步骤3：判断在工艺参数组合{P}下，在自由曲面模具S1上铺放预浸带{T}是否会导致铺放褶皱产生，具体步骤包括：
(3.1)计算自由曲面模具S1上高斯曲率绝对值的最大值：Kmax＝max(|K|)，得到Kmax＝3.61×10-7mm-2；
(3.2)计算自由曲面模具S1上预浸带{T}沿测地线铺放时所产生的最大变形：
Figure BDA0002582205380000111
得到εmax＝1×10-3；
(3.3)比较发现εmax＞η，说明自由曲面模具S1上预浸带{T}所产生的最大变形超出其允许变形的极限，会导致铺放褶皱的产生；
(3.4)结束整个流程并输出结论：在工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至自由曲面模具S1上，其会导致铺放褶皱的产生，需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度。
实施例3
步骤1：如图5所示，输入双曲面模具的三维模型S2、预浸带{T}、自动铺带机铺放工艺参数组合{P}，自动铺带机铺放工艺参数组合{P}的铺放温度为33℃、铺放压力为500N、铺放速度为15m/min；
步骤2：由于本实施例中预浸带的型号、宽度以及自动铺带机铺放工艺参数组合{P}均与实施例2中一致，因此可查找铺放工艺参数数据库M直接获得预浸带{T}允许的变形能力η＝6.67×10-4；
步骤3：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在双曲面模具S2上铺放预浸带{T}是否会导致铺放褶皱产生，具体步骤包括：
(3.1)计算双曲面模具S2上高斯曲率绝对值的最大值：Kmax＝max(|K|)，得到Kmax＝3.91×10-8mm-2；
(3.2)基于公式
Figure BDA0002582205380000112
计算双曲面模具S2上预浸带{T}沿测地线铺放时所产生的最大变形，得到εmax＝1.1×10-4；
(3.3)比较发现εmax＜η，说明双曲面模具S2上预浸带{T}所产生的最大变形在其允许变形范围内，不会导致铺放褶皱的产生；
步骤4：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在双曲面模具S2上铺放预浸带{T}是否会导致铺放间隙问题产生，具体步骤包括：
(4.1)在模具曲面S一处短边界上设置多个铺放起始点，同时保证相邻铺放起始点在该模具边界上的距离为151mm；
(4.2)如图6所示，将位于边界中心区域的铺放起始点标记为O0，然后从O0开始，沿着与该短边界垂直的方向构造测地线A0；
(4.3)将位于A0延伸方向左侧的铺放起始点依次记为OL1、OL2…OLn-1、OLn，将位于A0延伸方向右侧的铺放起始点依次记为OR1、OR2…ORn-1、ORn；
(4.4)如图7所示，过点OLn-1与ORn-1分别构造A0的测地平行线ALn-1以及ARn-1；
(4.5)如图8所示，从点OLn与ORn开始，沿着与短边界垂直的方向分别构造测地线ALn以及ARn；
(4.6)S1：判断双曲面模具S2在A0延伸方向左侧的区域是否会出现铺放间隙问题，具体方法包括：
计算轨迹ALn-1与轨迹ALn之间末端的铺放间隙大小，得到END_GAP_L＝106.5mm，这与情况2相符；
如图9所示，利用规定测地曲率曲线ALn'代替ALn，其中ALn'上任一点Q处的测地曲率大小为：
Figure BDA0002582205380000121
初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn'之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L'≤2.5mm；得到满足条件时Ratio＝0.4，此时END_GAP_L'＝-7.8mm；
显然Ratio＜1，这说明左侧区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙，但可以利用预浸带的允许变形能力进行消除；
S2：判断双曲面模具S2在A0延伸方向右侧的区域是否会出现铺放间隙问题，具体方法包括：
计算轨迹ARn-1与轨迹ARn之间末端的铺放间隙大小，得到END_GAP_R＝106.5mm，这与情况2相符；
如图9所示，利用规定测地曲率曲线ARn'代替ARn，其中ARn'上任一点Q处的测地曲率大小为：
Figure BDA0002582205380000122
初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn'之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R'≤2.5mm；得到满足条件时Ratio＝0.4，此时END_GAP_R'＝-8.5mm；
显然Ratio＜1，这说明右侧区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙，但可以利用预浸带的允许变形能力进行消除；
步骤5：由于模具曲面S整个区域均未出现无法消除的铺放间隙问题，因此结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}可铺放至双曲面模具S2上，不会导致铺放褶皱以及铺放间隙问题的产生。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入待铺放模具曲面S的三维模型、预浸带{T}、自动铺带机铺放工艺参数组合{P}；
步骤2：通过曲面铺放实验获得自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下预浸带{T}允许的变形能力η；
步骤3：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在模具曲面S上铺放预浸带{T}是否会导致铺放褶皱产生；若不会导致铺放褶皱问题，则进入步骤4；反之，则输出结论并结束整个流程；
步骤4：判断在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，在模具曲面S上铺放预浸带{T}是否会导致铺放间隙问题产生；
步骤5：根据模具曲面S上是否存在无法完全消除的铺放间隙问题，输出相关结论。
2.根据权利要求1所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤1中所述预浸带{T}包括预浸带型号和预浸带宽度，所述自动铺带机铺放工艺参数组合{P}包括铺放温度、铺放压力、铺放速度。
3.根据权利要求1所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤2中包括以下步骤：
2.1、利用自动铺带机床将预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下沿着等测地曲率曲线铺放到半径为R的球面模具上；
2.2、不断增加等测地曲率曲线上测地曲率的幅值直到铺放褶皱产生，记录刚好出现铺放褶皱时测地曲率的大小为kg0；
2.3、利用公式
Figure FDA0002582205370000011
计算预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力η，其中W表示预浸带宽度；
2.4、将预浸带{T}在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力η记录于铺放工艺参数数据库M中，以后同一型号、宽度的预浸带在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下的变形能力可直接在工艺参数数据库中查找获得，而无需再进行曲面铺放实验。
4.根据权利要求3所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，所述球面模具半径为5m。
5.根据权利要求1所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤3中包括以下步骤：
3.1、计算模具曲面S上高斯曲率绝对值的最大值：Kmax＝max(|K|)，其中K表示模具曲面S高斯曲率的分布；
3.2、计算模具曲面S上预浸带{T}沿测地线铺放时所产生的最大变形εmax：
Figure FDA0002582205370000021
3.3、若预浸带{T}最大变形在其允许变形范围内，即满足不等式εmax≤η时，带料将不发生褶皱，反之则会产生铺放褶皱；
3.4、若预浸带{T}不产生铺放褶皱，则进入步骤4，反之则结束整个流程并输出结论。
6.根据权利要求5所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，所述结论为在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时会导致铺放褶皱的产生，此时需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度W。
7.根据权利要求1所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤4中包括以下步骤：
4.1、在模具曲面S一处短边界上设置多个铺放起始点，同时保证相邻铺放起始点在该模具边界上的距离为W+1；
4.2、将位于边界中心区域的铺放起始点标记为O0，然后从O0开始，沿着与该短边界垂直的方向构造测地线A0；
4.3、将位于A0延伸方向左侧的铺放起始点依次记为OL1、OL2…OLn-1、OLn，将位于A0延伸方向右侧的铺放起始点依次记为OR1、OR2…ORn-1、ORn；
4.4、过点OLn-1与ORn-1分别构造A0的测地平行线ALn-1以及ARn-1；
4.5、从点OLn与ORn开始，沿着与短边界垂直的方向分别构造测地线ALn以及ARn；
4.6、判断模具曲面S上是否会出现铺放间隙问题，并判断所出现的铺放间隙问题能否利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除。
8.根据权利要求7所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤4.6中包括判断模具曲面S在A0延伸方向左侧的区域是否会出现铺放间隙问题，具体方法包括：计算轨迹ALn-1与轨迹ALn之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L，然后根据END_GAP_L的大小分为以下三种情况：
情况1：如果0≤END_GAP_L≤2.5mm，则说明左侧的区域带料间不会产生铺放间隙问题；
情况2：如果END_GAP_L>2.5mm，则说明左侧的区域带料间会产生分开的铺放间隙问题；此时则利用规定测地线ALn′代替ALn；
其中，ALn′上任一点Q处的测地曲率为：
Figure FDA0002582205370000031
公式中K(Q)表示模具曲面S在Q点的高斯曲率，Ratio为比例系数；为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L′≤2.5mm，记录此时比例系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明左侧的区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明左侧的区域带料间过大分开的铺放间隙无法完全消除，然后转到步骤5；
情况3：如果END_GAP_L＜0，则说明左侧的区域带料间会产生覆盖的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ALn”代替ALn；
其中，ALn”上任一点Q处的测地曲率为：
Figure FDA0002582205370000032
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ALn-1与轨迹ALn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_L”≥0，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明左侧的区域带料间虽然会产生覆盖的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}的允许变形能力η进行消除，然后转到S2；反之，则说明左侧的区域带料间覆盖的铺放间隙问题无法完全消除，然后转到步骤5。
9.根据权利要求7所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤4.6中包括判断模具曲面S在A0延伸方向右侧的区域是否会出现铺放间隙问题，具体方法包括：计算轨迹ARn-1与轨迹ARn之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R，然后根据END_GAP_R的大小分为以下三种情况：
情况1：如果0≤END_GAP_R≤2.5mm，则说明右侧的区域带料间不会产生铺放间隙问题；
情况2：如果END_GAP_R>2.5mm，则说明右侧的区域带料间会产生分开的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ARn′代替ARn；
其中，ARn′上任一点Q处的测地曲率为：
Figure FDA0002582205370000041
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R'≤2.5mm，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明右侧的区域带料间虽然会产生过大分开的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明右侧的区域带料间过大分开的铺放间隙无法完全消除；
情况3：如果END_GAP_R＜0，则说明右侧的区域带料间会产生覆盖的铺放间隙问题，此时则利用规定测地线ARn”代替ARn；
其中，ARn”上任一点Q处的测地曲率为：
Figure FDA0002582205370000042
为保证不产生铺放褶皱，比例系数Ratio不能超过1；初始设置Ratio＝0.1，然后以0.1为间隔不断增加系数Ratio的大小，直到轨迹ARn-1与轨迹ARn′之间末端的铺放间隙大小END_GAP_R”≥0，记录此时系数Ratio的值；
如果Ratio≤1，则说明右侧的区域带料间虽然会产生覆盖的铺放间隙问题，但可以利用预浸带{T}允许的变形能力η进行消除；反之，则说明右侧的区域带料间覆盖的铺放间隙问题无法完全消除。
10.根据权利要求1所述的一种曲面自动铺放预浸带可铺性判断方法，其特征在于，步骤5中包括以下两种情况：
情况1：若模具曲面S上整个区域均未出现无法完全消除的铺放间隙问题，则结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时不会导致铺放褶皱或铺放间隙问题的产生；
情况2：若A0延伸方向左侧区域或右侧区域出现了无法完全消除的铺放间隙问题，则结束整个流程并输出结论：在自动铺带机铺放工艺参数组合{P}下，预浸带{T}不可铺放至模具曲面S上，当预浸带{T}铺放至模具曲面S上时会导致铺放间隙问题的产生，此时需调整铺放工艺参数组合{P}或减小预浸带宽度W。
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