[发明专利]一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统

说明书

本发明公开了一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统，涉及自动化加工技术领域，包括步骤：获取当前采样面上的初始缠绕路径；通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；根据最终获得的整体扩张缠绕路径输出所对应的程序代码。本发明充分考虑到了纱带自身宽度和高度对于缠绕效果的影响，进行采样面更新下的扩张缠绕路径获取，从而能够有效避免由于外轮廓扩张导致的落纱偏移。

技术领域

本发明涉及自动化加工技术领域，具体涉及一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法与系统。

背景技术

纤维缠绕技术是最早开发和应用最广泛的自动化加工技术，相比于其他生产工艺，纤维缠绕复合材料制品可按照产品的结构特征和受力状况来设计缠绕规律，能够充分发挥纤维的强度，并且具有纤维排列整齐、准确率高等特点，已广泛应用于航空航天及民用工业中，如火箭发动机壳体、飞机机身、航空发动机叶片、叶环及机匣、车用燃料气瓶、医用氧气瓶、油气储罐及管道等。

缠绕路径规划是通过一定的数学算法对纱带在芯模上的落纱轨迹进行设计。不合理的缠绕路径规划会导致缠绕过程中出现纱带滑移、架桥等不利因素，进而在制件内部产生富树脂区等缺陷，甚至导致后续缠绕过程难以实施。因此，合理的缠绕路径规划以确保纱带按照既定落纱轨迹平稳地铺覆在芯模表面是当前纤维缠绕技术亟需解决的重要课题。

现有的缠绕路径轨迹算法通常采用测地线、半测地线、曲面样条及其他非测地线等路径来设计缠绕轨迹，并且均将纱带处理为不具有宽度和厚度信息的几何曲线，所有路径规划过程都是基于原始芯模表面完成的。因此，现有算法都忽略了在缠绕过程中纱带在芯模表面的连续堆积所造成的制件外轮廓扩张效应，实际缠绕经验表明此轮廓扩张效应将导致实际落纱点的位置偏离设计值。不仅如此，这种轮廓扩张效应还具有不均衡性，在缠绕的回转区或封头处表现尤为剧烈，因此导致制件外轮廓严重偏离原始芯模表面，在这种情况下，若仍采用基于初始芯模表面设计的路径进行缠绕，将极易导致纱带从制件表面滑脱导致缠绕过程中断并且后续设计路径不可用，以至整个缠绕工艺过程前功尽弃。因此，在路径设计过程中考虑纱带厚度以体现纱带在芯模上的堆积，同时在实时扩张的制件轮廓上设计后续缠绕路径有利于解决上述问题，从而保证设计路径的工艺可行性。

发明内容

为了使纱带缠绕路径的设计能够充分考虑纱带自身物理特性对于缠绕效果的影响，本发明提出了一种基于外轮廓扩张效应的三维缠绕路径生成方法，其中，未缠绕状态下，芯模表面设有由均匀布置的采样点组成的采样面，具体包括步骤：

S1：根据初始滑移系数和微分几何理论，在缠绕力学稳定性条件下获取当前采样面上的初始缠绕路径；

S2：通过对初始缠绕路径进行预设宽度和预设高度下的偏移处理，获取扩张缠绕路径；

S3：根据扩张缠绕路径投影纱带至当前采样面，并根据几何投影关系获取被纱带覆盖的采样点；

S4：根据预设高度叠加并更新被纱带覆盖的采样点的高度信息，并根据高度更新后的采样点集获取更新后的采样面；

S5：判断当前缠绕路径的缠绕层数是否达到预设层数，若是，进入S6步骤，若否，缠绕层数加一并返回S1步骤；

S6：根据最终获得的整体扩张缠绕路径获取实际滑移系数，并判断是否大于芯模表面最大静摩擦系数，若是，调整初始滑移系数并返回S1步骤，若否，输出整体扩张缠绕路径所对应的程序代码。

进一步地，所述S1步骤中，缠绕力学稳定性条件包括纱带缠绕过程中无架桥、无滑移和全覆盖。

进一步地，所述S2步骤中，预设宽度为纱带展平后的宽度，预设高度为纱带展平后的高度。