[发明专利]自由曲面Z‑pin植入路径生成方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助设计与制造领域，特别涉及一种在自由曲面上生成Z-pin植入路径的方法。

背景技术

Z-pin技术是一种复合材料三维增强方法，主要适用于预浸料成型复合材料层合板壳。其基本原理是将针状细杆(即pin)沿垂直方向植入到未固化的层合构件中。在机械阻力和化学共固化等结合作用下，pin针像钉子一样将层合板的各个铺层固结在一起，能显著提高层合件的抗分层，抗剥离等层间性能。常用的Z-pin材料是直径为0.2mm-1.0mm的高强度、高模量钛合金短针或碳纤维短针。Joseph S.Boyce等人发明的了UAZ(Ultrasonically Assisted Z-Fiber)是最常用的Z-pin增强工艺(参考文献为：Ultrasonic fastening system and method[P].USA:5800672,1998.)，包括四大步骤：第一步，制备pin针。第二步，把pin针按一定阵列垂直插入泡沫板中得到Z-pin预制体，并将预制体贴合在未固化的层合件表面。第三步，用超声枪把泡沫中的Z-pin压入层合板。第四步，清理表面并固化。工艺流程如图1所示。

在UAC工艺的第三步中，超声枪的植入路径，也就是超声枪的位置和姿态需要精确控制，既要保证超声枪压到工件表面以便将pin针完全扎入层合板，又要保证枪头垂直入层合板，避免pin针倾倒或折断。对于平板类零件，超声枪的位置在平面内平移，下压方向不变化，植入路径很简单。对于回转体构件，植入路径可以选择回转体母线上，据此，宋清华等人研制了针对圆柱、圆锥类构件的自动化植入平台。(参考文献为：圆锥类构件Z-pin自动超声辅助植入平台设计与研究[J].南京航空航天大学学报,2013,45(5):700-707.)对于自由曲面构件，植入位置和方向都比较复杂。本发明提出了针对自由曲面开发Z-pin植入路径的生成方法。

发明内容

本发明提出了一种自由曲面上Z-Pin植入轨迹的生成方法。通过将自由曲面三角网格化，将曲面上求解轨迹转化为在三角网格上求解折线段。最终得到植入点坐标和植入方向。

为此，本发明采用如下技术方案：

步骤1、建立需要植入Z-pin的层合板的自由曲面数字化模型；

步骤2、将模型划分为三角网格，用大量三角形拼接近似表示曲面；整理三角形的点、线、面信息，得到所有三角形的三个顶点坐标和三角形构成平面的法向量，以及三角形之间的共边关系；

步骤3、在三角形网格上沿固定参考方向生成第一条轨迹，用一组轨迹点来描述，具体过程如下：

参考方向任意设定，设为x方向，轨迹的起点选择模型边角，寻找该点所在的三角形作为第一三角形，做该点处参考方向在第一三角形内的投影，投影与第一三角形一边的交点为第二个轨迹点；通过第二轨迹点找到与第一三角形共边的三角形，作为第二三角形，在第二个轨迹点做参考方向在第二三角形上的投影，投影与第二三角形的边界交点为第三个轨迹点；重复操作直到轨迹点到达模型另一侧边界；这一系列有序的轨迹点组成了第一条轨迹；

步骤4、在曲面上平移第一条轨迹上的所有轨迹点，组成第二条轨迹，实际上是平移第一条轨迹的所有轨迹点，具体过程如下：

平移某一点时，平移方向为τ，τ＝x×n，其中n为该点所在三角形的法向，x为步骤3中参考方向，平移距离为超声枪头宽度W；

平移P点时，设P'点为平移终点，则平移方向τ₁＝x×n₁，交该三角形的一边于P₂点；计算PP₂的长度，并根据以下规则判断并计算平移终点P'的坐标；

规则1如果PP₂＝W，则点P₂即为所求平移终点P'；

规则2如果PP₂>W，则平移终点P'在线段PP₂上，设P点、P₂点坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)；则P'点坐标(x',y',z')＝η×(x₁,y₁,z₁)+(1-η)×(x₂,y₂,z₂)，其中