具有复杂边界复合材料层合板的高效铺放技术研究

摘要

自动铺丝技术可以根据实际需要实时的增减预浸丝束，更加适合于边界形状不规则的层合板成型，无需大规模的后续加工，废料率大大降低。通过提高自动铺丝生产效率，缩短生产周期能够实现先进复合材料低成本制造。本文以实现具有复杂边界复合材料层合板的高效铺放为目标，开展了相关研究。 首先，研究了平面层合板的高效铺放。根据铺丝机的结构特点，提出平行折线的多边形外扩和内缩算法；结合多边形的最小包络矩形得到两多边形的组合状态，并通过多边形之间的靠接碰撞找到最佳组合状态，在此基础上完成构件的几何拓扑，获取构件在模具上的位置和边界信息。再采用线段相交的方法获取铺放初始轨迹，并对初始铺放轨迹进行后处理，主要包括覆盖性分析、最短送纱长度、关键点及边界处理，完成平面多构件同时铺放的轨迹规划。 其次，研究了曲面层合板的高效铺放。为实现在曲面上同时铺放出多个纤维方向和形状尺寸相同的层合板，对铺放曲面类型和构件的几何拓扑提出一定的要求。提出一种基于自由曲面网格化的正交投影算法，确定构件在曲面上的位置和边界信息；在此基础上提出射线法扩展算法判断轨迹点与构件边界的位置关系，再使用投影法获取构件边界处的初始轨迹，之后进行后处理，完成曲面多构件同时铺放的轨迹规划。 然后，研究了双向后置处理算法。采用位姿分离法将铺丝机的运动过程分为旋转主轴的运动和铺丝头的运动两个部分，根据双向铺丝机的运动结构特点，构建铺丝机和轨迹的旋转矩阵，并将模具上轨迹信息转换到铺丝机的运动中心；考虑主轴旋转对铺丝机行程的补偿，并通过旋转矩阵计算铺丝机的位姿状态的信息。针对铺丝机行进到到奇异点位置和铺放带有棱边模具的情况，提出相应的解决办法。 最后，在Microsoft Visual C++开发环境下进行软件的编写，并结合OpenGL的图形处理函数实现铺放轨迹的可视化，对铺放轨迹进行仿真验证，验证本文提出的平面和曲面多个构件同时铺放轨迹规划正确性和合理性。再通过双向铺丝机进行实际铺放实验，验证本文算法能够实现铺丝机双向铺放和多构件同时成型，达到具有复杂边界复合材料层合板的高效铺放的目的。

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