CN113360976B - 一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，属于复合材料应用领域。本发明充分考虑层合板、过渡区域、铺层信息、零件表面的分区和零件受力状况约束条件，并对所述约束条件进行有效处理和融合，实现单个铺层模型自动生成，且能够提高复合材料零件铺层模型生成精度和生成效率，减少人工干预；在实现单个铺层模型自动生成基础上，通过遍历铺层实现多个铺层模型批量处理，进一步提高多个铺层模型自动生成效率。铺层模型自动生成主要用到参数化曲面生成技术。应用本发明的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法解决复合材料领域相关工程问题，提高对复合材料领域工程问题的预测精度和预测效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，属于复合材料应用领域。
背景技术
复合材料具有高比强度、高比刚度、可设计等优点，在航空航天、电子、船舶、风电叶片、燃料电池、电力电缆、汽车、压力容器、轴浓缩超高速离心机、特种管筒桥梁、医疗器械、体育用品等领域有着广泛的应用。但因复合材料设计复杂，性能分散性大，对其结构设计、工艺规划、仿真分析和制造带来了巨大的挑战。因此，在20世纪80年代后期以美国为首的西方发达国家开始研究复合材料设计制造一体化技术,该技术是提高零件设计质量制造效率的有效方法，是复合材料零件设计制造技术的发展趋势。目前，国外已经开发了一些复合材料设计制造一体化商业软件，比如法国的CATIA CPD和SYSPLY、美国的ESAComp、德国的FiberSIM、英国的Laminate Tools、意大利的ICPS。国外复合材料设计制造软件在航空领域有了较好的应用，例如庞巴迪公司、波音公司和空客公司。其中空客公司的空客A380结构中的复合材料用量达到25％，空客公司采用复合材料设计软件进行设计从而使空客的复合材料设计工作时间降低了约50％，采用了新技术和软件设计制造复合材料料部件后，空客公司节省了5％-25％的初始设计时间，减少了45％的反复设计修改时间，极大地降低了手工铺层的时间，达到了全过程控制复合材料铺层，消除了反复试验的过程，提高产品质量的同时最大限度地降低了产品的废品率。
国内复合材料设计、制造单位大部分是依靠经验进行铺层设计、手工下料、手工铺放等，只有小部分企业采用国外先进的铺层设计制造软件辅助设计制造。目前国内尚无一款成熟可用的商用复合材料制造软件。
国外普遍采用参数偏置曲面技术(Parametric Surface Offset，PSO)生成铺层模型，其生成的铺层曲面由常数边线、常数区域、斜面边线、斜面区域等参数对象来控制，旨在辅助用户快速且灵活的生成铺层曲面，以满足后期制造工艺。PSO技术主要存在两方面问题：一方面是无法生成垂直的“斜面”；另一方面是一次只能生成一个铺层曲面，不能批量化自动生成所有铺层曲面。
发明内容
针对现有的技术中的下述缺陷：(1)现有的铺层生成方法一次只能生成一个铺层曲面，不能批量化自动生成所有铺层曲面；(2)无法生成垂直的“斜面”。本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法要解决的技术问题是：充分考虑层合板、过渡区域、铺层信息、零件表面的分区和零件受力状况约束条件，并对所述约束条件进行有效处理和融合，实现单个铺层模型自动生成，且能够提高复合材料零件铺层模型生成精度和生成效率，减少人工干预；在实现单个铺层模型自动生成基础上，通过遍历铺层实现多个铺层模型批量处理，进一步提高多个铺层模型自动生成效率。应用本发明的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法解决复合材料领域相关工程问题，提高对复合材料领域工程问题的预测精度和预测效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，铺层模型自动生成主要用到参数化曲面生成技术。参数化曲面生成技术包含曲面合并、曲面修剪、曲面偏置、曲面创建等类型。曲面合并是将一组相邻曲面合并成为一个曲面。曲面修剪是用曲面内一组封闭曲线或者一组与曲面边界相交的曲线修剪曲面，修剪方向根据实际情况确定。曲面偏置是将曲面按照偏置方向偏置某一距离生成曲面。曲面创建是根据一组曲面边界点和曲面类型生成相应的曲面。
本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，包括如下步骤：
步骤一：相关概念定义。
步骤1.1：单铺层对象定义层合板中某单个铺层的层铺信息和铺层的几何模型。层铺信息包括铺层的材料、铺层的角度、铺层所包含的几何区域、所属层合板、铺放次序信息；
步骤1.2：铺层邻域对象定义单铺层对象中具有相同铺放步骤的相邻区域铺层组合，是单铺层对象的子对象。
步骤1.3：层合板对象是铺层、夹芯和子层合板等信息的组织工具，同时也定义铺放表面和零件边界。层合板的两个主要用途就是定义模具表面和组织构成复合材料构件的所有组件；
步骤1.4：区域对象定义复合材料零件固定厚度区域，为给定零件定义的所有区域必须覆盖零件设计边界内的整个区域；
步骤1.5：过渡区域对象对相邻两个厚度不同的层合板，按照过渡线偏置一个宽度区域和区域内按照一定规范进行丢层设计的信息的表述；
步骤1.6：铺层模型对象定义一个复合材料零件所有铺层曲面的有序组合。
步骤二：在步骤一相关概念定义的基础上，充分考虑层合板、过渡区域、铺层信息、零件表面的分区和零件受力状况约束条件，并对所述约束条件进行有效处理和融合，实现单个铺层模型自动生成，且能够提高复合材料零件铺层模型生成精度和生成效率，减少人工干预。采用曲面偏置方法生成曲面，且曲面偏置方法能够生成垂直“斜面”。
步骤2.1：根据零件结构的不同厚度，确定铺层所包含的各个区域对象、层合板对象和单铺层对象，并获取单铺层对象包含的所有铺层邻域对象。寻找区域总厚度大于铺层邻域对象所处位置厚度的铺层邻域对象相邻区域，并将铺层邻域对象的铺放表面与所述相邻区域铺放表面进行复制，并且复制铺层邻域对象与具有相同步骤相邻区域的边界曲线，合并铺层所包含的铺放曲面。
步骤2.2：利用相关过渡曲线修剪已合并好的曲面。首先需要判断过渡曲线是属于铺层与其他相邻铺层的过渡曲线，还是铺层内部某两个相邻的铺层邻域对象内的过渡曲线。如果是铺层之外的过渡曲线，利用第n条过渡曲线修剪即可。如果是铺层之内的过渡曲线，利用第n-1条过渡曲线修剪即可，按照曲面偏置方向和偏置距离偏置已修剪好的曲面。
步骤2.3：获取所有已复制好的边界曲线，依次将步骤2.1复制好的边界曲线投影到偏置曲面上，并且将铺层邻域对象中某一顶点投影到偏置曲面上，该顶点作为修剪方向点。利用投影边界曲线修剪偏置曲面，保留所含修剪方向点的曲面。
步骤2.4：获取所有的铺层邻域对象所对应的铺层表面，获得铺层邻域对象之间的相邻关系表。获得具有相邻关系的铺层邻域对象之间在铺放表面上对应的相交边界，并获得具有一定顺序的相交顶点数组。在共用该相交顶点数组的相邻铺层邻域对象中的铺层曲面，依此找出与该顶点数组具有最近距离的顶点，形成两个相邻的铺层邻域组的顶点数组。将两个相邻的铺层邻域顶点数组作为输入，形成两个相邻铺层邻域对象的过渡曲面。
步骤2.5：依次将铺层邻域铺层曲面、过渡曲面合并成铺层曲面。根据铺放角度修改已合并生成的铺层曲面颜色，若无合并操作，则直接修改铺层邻域对象铺层曲面颜色。
步骤三：在按照步骤二实现单个铺层模型自动生成基础上，通过遍历铺层实现多个铺层模型批量处理，进一步提高多个铺层模型自动生成效率，进而实现复合材料数字化铺层模型批量自动生成。
步骤四：应用步骤三自动生成的复合材料数字化铺层模型解决复合材料领域相关工程问题，提高对复合材料领域工程问题的预测精度和预测效率。
所述复合材料领域工程问题包括铺层下料、力学性能仿真。
有益效果：
1、本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，充分考虑层合板、过渡区域、铺层信息、零件表面的分区和零件受力状况约束条件，并对所述约束条件进行有效处理和融合，实现单个铺层模型自动生成，且能够提高复合材料零件铺层模型生成精度和生成效率，减少人工干预；在实现单个铺层模型自动生成基础上，通过遍历铺层实现多个铺层模型批量处理，进一步提高多个铺层模型自动生成效率。
2、本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，应用本发明的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法解决复合材料领域相关工程问题，提高对复合材料领域工程问题的预测精度和预测效率。
3、本发明公开的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，采用曲面偏置方法生成曲面，且曲面偏置方法能够生成垂直“斜面”，进而解决现有技术无法生成垂直“斜面”问题。
附图说明
图1本发明的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方流程示意图；
图2本发明的铺层模型示意图；
图3本发明的铺层表面模型图；
图4本发明的过渡曲线示意图；
图5本发明的过渡曲线修剪示意图；
图6本发明的单个铺层模型图；
图7本发明的铺层模型图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，具体实现步骤如下：
步骤一：单铺层对象、铺层邻域对象、层合板对象、区域对象、过渡区域对象、铺层模型对象定义。
某回转体复合材料零件的铺放表面模型如图3所示。层合板对象信息表如表1所示，区域对象信息表如表2所示，过渡区域对象信息表如表3所示，铺层模型对象信息表如表4所示，过渡曲线如图4所示。
表1层合板信息表
| 名称 | 铺放表面ID | 设计边界ID |
| lam001 | 66,262,355,448,471 | 69,60,326,418,446,469,474,467,443,419,325,55 |
表2区域信息表
表3过渡区域信息表
表4铺层信息表
步骤二：在步骤一相关概念定义的基础上，充分考虑层合板、过渡区域、铺层信息、零件表面的分区和零件受力状况约束条件，并对所述约束条件进行有效处理和融合，实现单个铺层模型自动生成。
合并铺层Layer10所包含的铺放曲面，利用相关过渡曲线修剪已合并好的曲面如图5所示。按照曲面偏置方向和偏置距离偏置已修剪好的曲面，依次将铺层邻域铺层曲面、过渡曲面合并成铺层曲面。根据铺层Layer10的铺层角度为+45，修改已合并生成的铺层曲面颜色，如图6所示。
步骤三：在按照步骤二实现单个铺层模型自动生成基础上，通过遍历铺层实现多个铺层模型批量处理，进一步提高多个铺层模型自动生成效率，进而实现复合材料数字化铺层模型批量自动生成。各个铺层模型对应的几何信息保存在相应的铺层信息中，生成铺层几何信息表，如表5所示，批量生成的铺层模型如图7所示。
表5铺层几何信息表
步骤四：应用步骤三自动生成的复合材料数字化铺层模型解决复合材料领域相关工程问题，提高对复合材料领域工程问题的预测精度和预测效率。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：相关概念定义；
步骤1.1：单铺层对象定义层合板中某单个铺层的层铺信息和铺层的几何模型；层铺信息包括铺层的材料、铺层的角度、铺层所包含的几何区域、所属层合板、铺放次序信息；
步骤1.2：铺层邻域对象定义单铺层对象中具有相同铺放步骤的相邻区域铺层组合，是单铺层对象的子对象；
步骤1.3：层合板对象是铺层、夹芯和子层合板信息的组织工具，同时也定义铺放表面和零件边界；
步骤1.4：区域对象定义复合材料零件固定厚度区域，为给定零件定义的所有区域必须覆盖零件设计边界内的整个区域；
步骤1.5：过渡区域对象对相邻两个厚度不同的层合板，按照过渡线偏置一个宽度区域和区域内按照一定规范进行丢层设计的信息的表述；
步骤1.6：铺层模型对象定义一个复合材料零件所有铺层曲面的有序组合；
步骤二：在步骤一相关概念定义的基础上，充分考虑层合板、过渡区域、铺层信息、零件表面的分区和零件受力状况约束条件，并对所述约束条件进行有效处理和融合，实现单个铺层模型自动生成；采用曲面偏置方法生成曲面，且曲面偏置方法能够生成垂直“斜面”；
步骤三：在按照步骤二实现单个铺层模型自动生成基础上，通过遍历铺层实现多个铺层模型批量处理，进而实现复合材料数字化铺层模型批量自动生成。
2.如权利要求1所述的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，其特征在于：还包括步骤四，应用步骤三自动生成的复合材料数字化铺层模型解决复合材料领域相关工程问题。
3.如权利要求1或2所述的一种复合材料数字化铺层模型自动生成方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
步骤2.1：根据零件结构的不同厚度，确定铺层所包含的各个区域对象、层合板对象和单铺层对象，并获取单铺层对象包含的所有铺层邻域对象；寻找区域总厚度大于铺层邻域对象所处位置厚度的铺层邻域对象相邻区域，并将铺层邻域对象的铺放表面与所述相邻区域铺放表面进行复制，并且复制铺层邻域对象与具有相同步骤相邻区域的边界曲线，合并铺层所包含的铺放曲面；
步骤2.2：利用相关过渡曲线修剪已合并好的曲面；首先需要判断过渡曲线是属于铺层与其他相邻铺层的过渡曲线，还是铺层内部某两个相邻的铺层邻域对象内的过渡曲线；如果是铺层之外的过渡曲线，利用第n条过渡曲线修剪即可；如果是铺层之内的过渡曲线，利用第n-1条过渡曲线修剪即可，按照曲面偏置方向和偏置距离偏置已修剪好的曲面；
步骤2.3：获取所有已复制好的边界曲线，依次将步骤2.1复制好的边界曲线投影到偏置曲面上，并且将铺层邻域对象中某一顶点投影到偏置曲面上，该顶点作为修剪方向点；利用投影边界曲线修剪偏置曲面，保留所含修剪方向点的曲面；
步骤2.4：获取所有的铺层邻域对象所对应的铺层表面，获得铺层邻域对象之间的相邻关系表；获得具有相邻关系的铺层邻域对象之间在铺放表面上对应的相交边界，并获得相交顶点数组；在共用该相交顶点数组的相邻铺层邻域对象中的铺层曲面，依此找出与该顶点数组具有最近距离的顶点，形成两个相邻的铺层邻域组的顶点数组；将两个相邻的铺层邻域顶点数组作为输入，形成两个相邻铺层邻域对象的过渡曲面；
步骤2.5：依次将铺层邻域铺层曲面、过渡曲面合并成铺层曲面；根据铺放角度修改已合并生成的铺层曲面颜色，若无合并操作，则直接修改铺层邻域对象铺层曲面颜色。
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