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复合材料铺层排样技术研究与开发

邓冬梅  
【摘要】: 复合材料因其比强度高、比模量大、材料的刚度和强度可设计等一系列优点,在航空航天领域得到广泛应用,但高昂的价格成了复合材料应用的最大壁垒。国外的研究和应用成果表明数字化技术是降低复合材料构件制造成本、提高构件性能的有效途径。目前国内主要还以手工设计和手工制造为主、自动化程度不高,不仅浪费人力、物力,而且产品质量难以保证,因此有必要对复合材料数字化技术进行研究。优化排样是复合材料构件数字化生产过程中的重要环节。 本文在研究各种排样算法的基础上,提出了新的矩形件排样算法、优化算法以及不规则样片的排样算法,并与复合材料铺层排样的特点相结合开发了复合材料铺层排样软件。主要研究内容和创新点如下: 矩形件排样不仅适用于矩形样片的排放,也是不规则样片排样的基础。本文在建立矩形件排样数学模型的基础上,介绍了各种常见的定序列矩形件排样算法并分析其特点,提出了一种新的启发式排样算法——最低轮廓线搜索算法。该算法满足“最下最左”条件,克服了其他排样算法对某些排样图不能给出排列的缺点,实验结果表明该算法排样效果好于最低水平线算法和最下最左(BL)算法。利用该算法实现了大量不同规格图纸的集中出图,省时省力,节约纸张20~50%。 矩形件排样问题具有图形运算和组合优化两方面的特性,单纯的排样算法只能解决图形运算问题,样片的排放顺序对排样结果同样重要。针对较小规模(一般少于100个图形)的矩形件排样问题,本文提出了模拟退火与最低轮廓线搜索算法相结合的综合优化算法。对于十多个图形的排样,该算法可短时间内求得最优解;对于近百个图形的排样,在排样效果相当的情况下,该算法比其他基于模拟退火的综合优化算法效率提高百倍以上。针对大规模矩形件排样问题,本文提出了蚁群算法与最低轮廓线搜索算法相结合的综合优化算法,该算法比模拟退火与最低轮廓线算法相结合的综合优化算法效率提高十倍以上。 不规则图形排样是所有排样研究中的热点和难点。本文将不规则样片简化成多边形进行排样,提出了两种不同的解决方法:一是基于矩形的排样方法,二是直接对多边形进行排样。基于矩形求解不规则样片排样时,将图形运算、矩形件排样算法及交互调整相结合,提出了基于矩形的多边形综合排样算法。通过各种优化组合策略,对单一样片和多种样片进行组合求其最小包络矩形,从而将不规则形状样片排样转化为矩形件排样进行求解。直接排放多边形时,重点研究两个多边形的临界多边形(NFP)的求解。首先对基于倾斜图法的NFP求解法进行了改进和优化,完善了凹、凸两多边形NFP的求解,然后提出了适用于任意两多边形NFP求解的边界绕行法,该方法比基于倾斜图的求解方法适用范围广,计算简单、效率高。 根据复合材料构件数字化生产的主要过程,分析总结了复合材料铺层排样的特点,并将优化排样算法与复合材料铺层排样的特点相结合,设计开发了复合材料构件铺层排样软件系统。


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