[发明专利]复合材料的面片缠绕成型方法

摘要

复合材料的面片缠绕成型方法，它涉及一种面片缠绕成型方法。本发明的目的是为解决在异型件缠绕过程中经常会出现架空或滑线现象的问题。本发明首先确定出芯模上纤维架空存在的位置，应用CAD构建数据芯模，并以IEGES格式输出芯模数据文件，得到其表面的详细信息，对存在的架空点进行检测与寻优控制；增大缠绕角即增大点B₁与点B₂处的半径夹角，消除纤维架空，消除纤维滑线。本发明具有以下有益效果：①通用性强，能够实现回转体和非回转体的缠绕成型；②线型容易控制，根据网格节点布置纤维轨迹，布线灵活、线型易控；③可设计性强，缠绕角调整方便，易于实现异型件的缠绕线型控制以及布满；④彻底消除了纤维在异型件上缠绕的架空和滑线现象。

主权项

1、一种复合材料的面片缠绕成型方法，其特征在于复合材料的面片缠绕成型方法是按以下步骤实现的：一、首先确定出芯模上纤维架空存在的位置，应用CAD构建数据芯模，并以IEGES格式输出芯模数据文件，得到其表面的详细信息，对存在的架空点进行检测与寻优控制；二、消除纤维架空：图2中的O₁O₂是芯模的主轴，B₁B₂是架空纤维，B₁CB₂是架空纤维B₁B₂在芯模上的投影，R与r则分别是B₁和B₂两点处的芯模半径；取图2中各线在XOY面上的投影得图3的情形，直线B₁B₂在曲线B₁B₂的上方即为纤维与芯模表面轮廓曲线B₁CB₂有间隙，存在架空现象；在图3中过原点O作B₁B₂的垂线OP和平行线B₁₁O；使纤维贴敷在芯模或已缠纤维上，纤维受芯模的法向力作用而凸起，其投影也向外凸，如图4所示；在调整前，纤维在芯模的外部，且与芯模表面有间隙，调整后，使纤维帖敷在芯模表面，采用调整缠绕角的方法来消除架空；如图2所示，增大缠绕角即增大点B₁与点B₂处的半径夹角，从而使纤维与芯模主轴的距离变小，它小于芯模半径，纤维就会落在芯模表面上，从而消除架空现象；取B₁(x₁，y₁，z₁)、B₂(x₂，y₂，z₂)，同时取纤维投影上任意点为C(x_c，y_c，z_c)；利用空间几何理论，得到点O到架空纤维的距离|OP|：|(y2-y1)×(x2-x1)×(x2y1-x1y2)|(x2-x1)2+(y2-y1)2---(1)]]>式(1)的值小于点C到直线B₁₁O的距离，说明纤维贴敷在芯模表面，不存在架空；式(1)的值大于点C到直线B₁₁O的距离，说明存在架空现象，这种情况下增大缠绕角，把纤维与芯模表面子午线的夹角加大，式(1)的值会变小，它减小到出现图4所示情况，就消除了架空现象；三、消除纤维滑线：如图5所示，取曲面上的微段纤维P₁P₂＝Δs，P为P₁P₂中点，分别为在P₁、P₂点所受的张力向量，分别为纤维轨迹在P点的切向量和主法向量，为曲面上该点的法向量，v→=n→×α→]]>为P点切平面上一单位向量；为参数曲线u线在P点的单位切向量，为与的夹角，即P点的缠绕角，为纤维与芯模或上一层纤维之间的摩擦力，为芯模对纤维的法向反作用力；纤维在芯模表面稳定必然满足力平衡方程F→f+F→n+T→1+T→2=0---(2)]]>将(2)式演变成(3)式Σi=12T→i=Tkgds·v→+Tknds·n→---(3)]]>其中定义合力在向的分力为F→s=Tkgds·v→---(4)]]>在向的分力为F→p=Tknds·n→---(5)]]>是使纤维沿芯模表面滑动的力，为使纤维压紧或远离芯模的力；纤维要在芯模上保持稳定，必须满足下式|F→s|≤|F→f|max=|F←p|·μmax---(6)]]>式中μ_max——纤维与芯模或者纤维与纤维之间的最大摩擦系数；将(4)、(5)两式中消去|Tds|得|F→s|=|F→p|·|kg||kn|kn≠0---(7)]]>将(7)式代入(6)式得纤维在芯模上保持稳定不滑线的条件为利用芯模网格曲面来求解其表面的法曲率K_n和测地曲率K_g，如图6所示：以点P₂求解芯模表面的两个曲率，点P₂附近的平面P₁P₂P₄是芯模在点P₂处的切平面，其法相量n由P₁、P₂、P₄三点求得；然后由P₂、P₅点求得点P₂处的纤维轨迹的切相量α；最后由上面的条件确定点P₂、P₃、P₅在纤维过点P₂的密切平面上，求得副法相量γ；由下面三式求得|K_g/K_n|：β＝γ×α                                     (9)θ=arccosn·βn·β---(10)]]>|kg||kn|=tg(θ)---(11)]]>式中θ——为切平面的法相量n与密切平面的主法相量β之间的夹角；求出的θ的正切值等于零，推得k_n＝0，在这种情况下纤维轨迹是测地线，必定是稳定缠绕；知道芯模表面的摩擦系数后，根据(11)式求得的结果，再由(8)式即判断纤维是否滑线，进而决定缠绕角和缠绕路径。