复合材料构件铺层展开剪口与区域划分技术研究

论文摘要

由于复合材料具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点,因此在飞机上得到广泛应用,尤其在直升机上应用更为突出,在某些型号的直升机上复合材料的使用量已超过总重量的50%。飞机复合材料构件绝大多数是通过预浸料叠层固化制造的,因此,铺层的展开对材料下料乃至零件的制造是至关重要的。由于飞机构件外形多存在不可展曲面,要想以较高精度将给定的铺层曲面展开,往往需要对曲面添加剪口或者进行区域分块,并在此基础上对曲面进行近似展开。本文主要对复合材料构件铺层展开剪口及区域划分技术进行了研究,主要工作和成果如下:提出了一种交互方式的对曲面添加剪口的算法。由用户指定需要添加剪口的参考路径,系统据此生成剪口的精确路径。研究多种类型曲面的自适应剪口方式,包括单边界曲面、双边界曲面、多边界曲面、全封闭曲面。其实质是给定一个高斯曲率阈值,把高斯曲率大于该阈值的点作为剪口起始点,生成到边界的最短剪口路径,剪口路径的多少由阈值决定。提出了一种基于离散高斯曲率的区域划分方法。改进了基于伪直母线的区域划分算法,提出了二次整理算法,解决了原算法一次划分后存在过多小片的问题。提出了对已经划分区域曲面的每个小区域二次剪口的方法,提高了曲面展开的质量。开发曲面展开软件模块并集成到CATIA系统中。利用该软件可对复合材料构件铺层曲面进行添加剪口、区域分块等处理,实现满足精度要求的曲面展开,展开结果较为理想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料构件铺层技术概述
• 1.2 复杂曲面剪口、区域分块及展开技术
• 1.3 CATIA 及其二次开发工具CAA 简介
• 1.4 课题研究内容
• 第二章 曲面上剪口路径的生成算法
• 2.1 引言
• 2.2 曲面上添加剪口涉及的基础算法
• 2.2.1 曲面的网格化离散
• 2.2.2 建立翼边数据结构
• 2.2.3 计算每一点的权值
• 2.2.4 网格曲面内部点到边界点的近似最短路径
• 2.2.5 网格点的离散高斯曲率
• 2.3 曲面上剪口路径的自适应生成算法
• 2.3.1 单边界曲面剪口路径生成
• 2.3.2 双边界曲面剪口路径生成
• 2.3.3 多边界曲面剪口
• 2.3.4 全封闭曲面剪口路径生成
• 2.4 交互方式生成剪口路径
• 2.5 本章小结
• 第三章 曲面区域划分及曲面展开的后期处理
• 3.1 引言
• 3.2 基于高斯曲率的区域划分
• 3.2.1 建立近似可展区域
• 3.2.2 二次修正算法
• 3.3 基于伪直母线的曲面区域划分
• 3.3.1 基于伪直母线的区域划分
• 3.3.2 对划分结果二次修正
• 3.4 对已剪口或者划分区域的曲面进行展开
• 3.4.1 对曲面做初始展开
• 3.4.2 能量法优化
• 3.5 对展开结果的边界进行提取和样条拟合
• 3.6 剪口路径线、展开结果等在CATIA 中的显示与文件保存
• 3.7 本章小结
• 第四章 软件实现与验证
• 4.1 曲面展开软件的实现
• 4.1.1 开发目标
• 4.1.2 基本结构
• 4.1.3 系统软硬件环境
• 4.2 软件模块功能介绍
• 4.3 复合材料构件铺层曲面展开的验证实例
• 4.3.1 前机身复合材料特设舱结构中的剪口、区域划分及展开
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文