基于间隙缺陷和铺放接触应力分析的铺放路径优化方法

摘要

复合材料是一种性能优良的航空结构材料，随着自动铺丝装备的研制和自动铺丝技术的迅速发展，复合材料在航空航天领域以及民用领域的应用也越来越广泛，而国内的相关研究仍处于起步阶段。铺放路径规划作为复材构件制造的初始环节，对复材构件的最终成型质量和力学性能具有重要影响。本文面向复杂曲面构件的高性能铺放要求，综合考虑铺放误差、铺放质量、铺放运动性能等多项因素，研究了预浸丝束铺放路径的多目标优化方法。本文具体研究成果如下:
　　(1)探讨了复杂曲面及曲面上曲线的数学描述方法，重点论述了铺放间隙/重叠缺陷和柔性压辊滚动接触对铺放质量的影响，为开展铺放路径优化奠定了数学和力学基础。
　　(2)分别研究了路径离散过程中，偏移方向偏差对铺放间隙和法向偏差对铺放接触压力的影响规律;提出了基于曲线局部近似的铺放间隙计算方法和基于铺放压力分析的最大法向偏差计算方法;针对大尺寸复杂曲面的铺丝路径离散问题，提出了一种综合考虑铺放压力、铺放间隙和铺放效率的路径离散方法。
　　(3)对采用等步长算法以及采用多目标离散算法的路径间隙面积、铺放过程中的接触压力波动以及运动学性能进行对比分析。仿真分析表明，相比于等步长路径离散方法，多目标离散算法能更有效地减少间隙面积，提高铺放接触压力稳定性，从而提高铺放质量。
　　(4)以实际加工复杂曲面为研究对象，利用CATIA二次开发功能，在VS2010开发平台上实现了铺放轨迹规划、铺放轨迹离散及输出和自动铺放系统动态仿真等功能，为自主研制的大型龙门式铺丝机的工程试验提供了软件支撑。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 引言

1．2 自动铺丝技术国内外研究进展

1．2．1 自动铺丝设备的研究

1．2．2 自动铺放CAD／CAM技术

1．2．3 铺放质量分析与评价

1．2．4 自动铺放系统在航空航天领域的应用

1．3 课题的背景意义和研究内容

1．3．1 课题研究背景及意义

1．3．2 课题研究内容

第二章 复合材料自动铺放数学力学基础

2．1 铺放路径规划数学基础

2．1．1 曲线曲面微分几何

2．1．2 复杂曲面几何表达

2．1．3 曲面上的曲线设计

2．2 间隙重叠的力学建模及分析

2．3 柔性压辊滚动接触力学模型

2．4 本章小结

第三章 面向铺放质量的铺放路径离散方法

3．1 路径离散偏差对铺放质量的影响

3．1．1 路径偏移方向偏差对铺放间隙的影响

3．1．2 法向偏差对铺放压力的影响

3．2 基于曲线局部近似的铺放间隙计算

3．3 基于铺放压力分析的最大法向偏差计算

3．3．1 压力对预浸料铺放质量的影响

3．3．2 不同曲面的最大允许法向偏差

3．3．3 试验验证

3．4 铺放路径多目标离散算法

3．5 本章小结

第四章 铺放路径离散方法仿真验证

4．1 引言

4．2 铺放间隙仿真计算

4．3 铺放接触压力仿真分析

4．3．1 压辊铺放有限元建模

4．3．2 铺放过程接触压力分析

4．4 铺放路径运动学分析

4．4．1 建立机器人运动学模型

4．4．2 仿真结果分析

4．5 本章小结

第五章 自动铺放离线编程仿真功能实现

5．1 铺放离线编程仿真系统

5．2 系统软件开发平台

5．3 铺放轨迹规划模块

5．3．1 铺丝初始路径生成

5．3．2 其他路径的生成

5．3．3 铺丝路径密化

5．4 铺放轨迹离散及输出模块

5．4．1 铺放路径离散

5．4．2 铺放路径控制点生成

5．5 自动铺丝系统动态仿真

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献