复合材料自动铺放CAD/CAM关键技术研究

【摘要】：复合材料自动铺放技术是一种先进复合材料构件低成本、自动化、数字化制造技术。它突破了大型复合材料构件手工成型难以胜任的瓶颈,具有高效率、高质量、高精度和高可靠性的优点,适用于大型飞机、运载火箭等各类航天航空飞行器中多种结构部件的制造。目前,该技术已经成为发达国家航天航空工业领域中大型复合材料构件的主要制造方法,国内尚处于起步阶段。 复合材料自动铺放技术采用专用数控设备,利用压实系统将预浸带(纱)铺叠于模具表面,可以实现纤维方向和纤维分布的按需布局,充分发挥材料效率。复合材料自动铺放技术包括自动铺带技术和自动铺丝技术,是材料与工艺技术、装备技术和CAD/CAM软件技术的综合集成。本文结合“XXX筒段复合材料自动铺带技术及装备技术研究”、“大型复合材料构件自动铺带机装备及应用技术研究”、“自动铺丝机关键技术及其装备研究”、“自动丝束铺放系统”等国家重大项目,以某型中短程商用飞机机身尾段自动铺丝、某型教练机水平尾翼自动铺带为应用背景,系统研究了复合材料自动铺放CAD/CAM技术中轨迹规划、覆盖性分析、边界处理、后置处理和加工仿真等关键技术。根据航空航天工业实际需求,针对目前航空航天工业领域广泛应用的CATIA软件平台,完成了基于CATIA CAA技术自动铺放CAD/CAM系统软件开发工作,并利用课题组研制的复合材料材料自动铺放平台完成了相关铺放实验。主要工作及成果如下: 1.在前期研究工作的基础上,总结分析了早期复合材料自动铺放轨迹规划的常用算法,针对自动铺放轨迹规划技术:(1)首次开展了自动铺带轨迹规划算法中铺放间隙问题的研究工作;在“自然路径”轨迹规划算法中引入间隙工艺容差设计要求,将预浸带铺放间隙要求与轨迹规划相结合,利用预浸带两侧弧长差来表征预浸带纵向变形的不一致,通过调整铺放角度、铺放起始点、轨迹规划步长等方法规划合适的铺放轨迹,既满足间隙容差设计要求,又满足铺放过程中预浸带不褶皱、不撕裂的要求。(2)开展了给定点纤维方向自动铺丝轨迹规划的研究工作,提出了利用最小二乘法构造铺放角度方向函数的自动铺丝轨迹算法。该算法与连续变角度复合材料构件设计与分析理论相结合,可以实现纤维方向按结构设计布局,最大程度发挥复合材料可设计性,从而减轻构件重量、降低制造成本,提高结构效率和装备性能。 2.开展了自动铺放覆盖性问题的研究工作:分析了基于测地线和基于网格化的两种不同的相邻轨迹中心线间距的求解算法,在总结了前期覆盖性分析处理算法的基础上,提出了根据结构设计要求的纤维方向、基于测地线变步长的自动铺丝覆盖性分析处理(丝束增减)判定算法,既满足了结构设计要求,又提高了覆盖性分析算法的效率,满足实际工程需要。 3.根据自动铺带的技术特点,分析了一步铺带法和两步铺带法的工作模式及结构特征,研究了单刀和双刀两种切割系统的不同切割方式,建立了铺带轨迹中心线弧长与铺放送带量之间的映射关系,提出了基于弧长的复合材料自动铺带边界处理方法。并利用切刀横向位移与自动铺丝中丝束位置关系,将该算法应用于自动铺丝边界处理,建立了适用于一步单刀自动铺带法、一步双刀自动铺带法、两步单刀自动铺带、两步双刀自动铺带和自动铺丝的统一内外边界处理算法。 4.总结了前期自动铺放CAD/CAM后置处理技术的研究工作,并根据对自动铺放CAD/CAM系统用户需求的系统分析,基于CATIA CAA技术和Visual studio.net 2003平台完成了自动铺放CAD/CAM系统的开发工作,并利用My SQL数据库实现了数据交换与存储。系统采用模块化设计,具有灵活性和可扩展性,可以满足不同需求。利用课题组研制的自动铺放系统完成了相关铺放实验,验证了上述工作的正确性、有效性。