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

摘要

本发明提供一种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，通过在曲面模具上完成铺放，铺放的预浸料窄带/干丝出现超出工艺允许的皱褶时，记录该条预浸料窄带/干丝的铺放序号n；在球面大圆预浸料/干丝发生或不发生皱褶时，分别计算发生皱褶的预浸料窄带/干丝的测地偏转半径ρ

说明书

技术领域

本发明涉及一种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。

背景技术

自动铺放技术包括自动铺带(Automatic Tape Laying)和自动铺丝(AutomatedFiber Placement)技术。自动铺带与自动铺丝的共同特点是自动化高速成形、质量可靠，尤其适用于大型复合材料零部件制造。其中自动铺带主要用于小曲率或单曲率构件(如翼面、柱/锥面)的自动铺叠，以高效率见长；自动铺丝侧重于实现复杂形状的双曲面零件(如机身、翼身融合体及S进气道等)的制造，适应范围宽，但效率低于前者。自动铺放成型采用的材料体系成熟度高，设计成形方法继承性好，易于数字化设计和自动化制造，已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成形方法，例如：新一代大型飞机B787、A350XWB的翼面均采用自动铺带，而机身所有构件均采用自动铺丝。复合材料的大量应用推动了自动铺放技术的快速发展，提高了生产效率和适用性，同时也降低了制造成本。

在铺放复杂曲面外形的零件时，预浸料窄带/干丝在测地方向的曲率过大会造成所铺放的预浸料屈曲、产生皱褶，影响后续铺放和最终固化质量。部分学者通过理论分析和实验验证，指出在平面上预浸料窄带/干丝的侧向弯曲半径与三维曲面上预浸料窄带/干丝的测地偏转等效，通过在平面上铺放预浸料窄带/干丝圆弧，并用其出现超出工艺所允许皱褶时的最小偏转半径(Minimum Steering Radius)来预测、表征材料在测地方向的弯曲行为，该方法常应用于变刚度平板(Variable Stiffness Panel)的制造和性能表征中；但目前尚未找到用实际的双曲面自动铺放来预测、验证并表征窄带预浸料窄带/干丝测地半径的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量曲面自动铺放中预浸料不发生屈曲的最小测地半径的方法，采用自动铺放技术在球面铺放预浸料窄带/干丝，通过简洁计算公式便可测得其所允许的最小测地半径的方法，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术解决方案是：

一种测量曲面自动铺放中预浸料不发生屈曲的最小测地半径的方法，采用如下步骤：

S1、在轨迹规划软件中对曲面模具表面进行轨迹规划和后处理，得到铺放的NC代码，曲面模具由半径为R的球面主体和外延曲面构成；

S2、将所得NC代码导入自动铺放设备，选定工艺参数，在曲面模具表面或已铺放的铺层上铺放单丝宽度为w的预浸料窄带/干丝；

S3、当所铺放的预浸料窄带/干丝出现超出工艺允许的皱褶时，记录该条预浸料窄带/干丝的铺放序号n，n＝0,1,2,…；在轨迹规划软件中导入模具数模后，以球面大圆为起始铺放路径，并计该条预浸料窄带/干丝为第0条基准轨迹；后续的第1,2,…,n条轨迹相对于上一条轨迹的测地距离为一条窄带宽度w；

S4、在球面大圆预浸料/干丝不发生皱褶时，曲面模具的球面上基准轨迹不是大圆，此时其测地曲率不为零，以R′表示曲面模具第n条基准轨迹的半径，此时，在该工艺条件下第n条基准轨迹上出现皱褶的预浸料窄带/干丝上测地半径计算公式为：

在球面大圆预浸料/干丝发生皱褶时，曲面模具球面上基准轨迹是球面大圆，此时其测地曲率为零，按照如下公式计算，得到在该工艺条件下发生皱褶的预浸料窄带/干丝的测地偏转半径ρ_n：

其中，R为模具球面主体的半径。

进一步地，在曲面模具表面铺放时，铺预浸料窄带/干丝头轴线方向在每个铺放点与该铺放点在球面主体上的法线方向一致。

本发明的有益效果是：相比于在平面铺放预浸料圆弧测量预浸料窄带/干丝最小测地半径，本发明在双曲面进行铺放，更能接近实际铺放情况、得到更为确切的数据、且更为直观。该方法操作简单，通过已铺放的窄带/干丝丝数便可计算出结果，计算准确度高，可作为复合材料生产商和飞机制造商测量自动铺放用预浸料窄带/干丝侧向弯曲性能的测试标准或工艺指导。

附图说明

图1是实施例中铺放预浸料窄带/干丝最小测地半径的曲面模具示意图；

图2是将球面数模置于球体几何中的计算原理示意图；

图3是预浸料窄带/干丝最小测地半径的计算原理示意图；

图4是铺放起始路径不在球面大圆时预浸料窄带/干丝最小测地半径的计算原理的示意图。

其中：01-基准轨迹线，02-第n条轨迹线，03-曲面模具。

011、012、021、022-柱面模具上的直线段，031、032、033-从球面边缘外延的柱面段。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

测量曲面自动铺放中预浸料不发生屈曲的最小测地半径的方法，采用如下步骤：

如图1，在轨迹规划软件中对模具面进行轨迹规划，该模具由半径为R的曲面模具和外延的柱面模具构成；保证基准轨迹(第0条)01与曲面模具大圆重合，且轨迹01由柱面模具上的直线段011、012以及曲面模具上的01组成连续曲线；后续的第1、2、…、n条轨迹按照相同方法、按相邻两轨迹测地间距为w在模具面03上依次排开。对曲面模具03完成轨迹规划并得到数字信息控制机械控制器能识别的代码即NC代码。

在模具表面铺放时，保证铺丝/带头轴线方向在每个铺放点与该铺放点在球面上的法线方向一致，完成预浸料窄带/干丝基准轨迹01的铺放。

依次铺放第1、2、…、n条预浸料窄带/干丝，直至预浸料窄带/干丝上出现超出工艺所允许的皱褶，停止铺放，记录n数值。

根据图2、图3几何示意，计算预浸料窄带/干丝测地曲率方法如下：

根据微分几何原理，在球面上出现皱褶的预浸料窄带/干丝上P_n点的测地曲率：

式中，d为第n条预浸料窄带/干丝所在圆环距离基准轨迹所在大圆的长度。

因此在该工艺条件下，第n条轨迹线02上的预浸料窄带/干丝上铺放点P_n在曲面模具03上的测地半径：

式中，θ_n为垂直基准轨迹的大圆内P₀与P_n间的圆心角。

实施例二

如图4，考虑到大圆附近预浸料/干丝可能不会发生在皱褶，为了节省模具、材料成本，模具球面上基准轨迹01不是球面大圆，此时其测地曲率不为零。若以R′表示曲面模具03基准轨迹01的半径，此时，在该工艺条件下出现皱褶的预浸料窄带/干丝的-第n条轨迹线02上测地半径计算公式为：

ρ_n＝R·cot(θ_n1+θ_n2)

由于且因此有：

式中，θ_n1为垂直基准轨迹的大圆内P₀与P_n间的圆心角，θ_n2为垂直基准轨迹的大圆内，球面模具理论大圆与基准轨迹所在大圆间的圆心角。

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。