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FRP纤维缠绕机多轴运动控制的三维动态仿真

吴皓莹  
【摘要】: 纤维增强塑料(FPR)是一类具有比强度高、比刚度高、低密度、耐腐蚀性等优异性能的复合材料。纤维缠绕(FW)成型工艺在民用和军用FRP制品生产中应用十分广泛,特别是对现代航空、航天和新兴兵器的某些FRP构件而言,它是一种不可替代的工艺方法。 FW运动分析及仿真是对现有MCFW(微机控制纤维缠绕机)的CAD/CAM系统功能的扩充与完善。按照预先设计或分析的结果,用生成的三维实体模型逼真地模拟FPR制品FW成型的整个生产过程,及时直观地发现问题、解决问题,直至满足纤维制品的成型工艺要求,从而降低研制成本。 首先,本文在已有的回转曲面测地线FW线型一般方程的基础上,对储罐、压力容器一类制品的FW线型、线型的基本方程进行理论推导。为了实现图形的交互性,在参数化的三维图形模型中设定机组控制参数。通过分析几何参数间的相关性来控制形体的最佳效果及对象间的协调性。采用功能强大的可视化语言Delphi开发应用软件,较好地完成控制参数输入及线型CAD参数输出的人机交互任务。 其次,在建立FW线型CAD的基础上,以线型CAD提供的设计参数推导出FW的运动方程。由于FW运动方程是一组分段函数,为了表达FW线型的连续性,必须考虑分段点的衔接问题,统一X、Y、Z三维坐标的参照系。同时,为了方便运动仿真的程序化以及实际操作中参数控制的可行性,确定以芯模转动的中心角θ为参变量建立FW运动轨迹方程。 用OpenGL的图形标库可以对FPR产品的芯模进行三维建模,而仿真的真实感可以采用OpenGL所提供的其他相关命令与函数实现。主要包括利用贴图和纹理、使用光源、利用投影变换等。 鉴于OpenGL与Visual C++的结合,会使实际的编程变得十分繁琐和复杂,DELPHI5.0系统中的SignSoft VisIt Component是一套优秀的三维图形套件,借助它强大的功能和所见即所得的开发截面可以方便地编写程序代码,从而提高编程效率。 FRP储罐的FW运动分析及仿真的成功开发将大大提高FPR制品的生产效率和控制能力,对于FW工艺设计和生产实际具有一定的理论实用价值。


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