基于类回转体构件形心的自动铺丝轨迹切片环生成算法的制作方法

本发明涉及先进复合材料自动铺丝成型领域，尤其涉及基于类回转体构件形心的自动铺丝轨迹切片环生成算法。

背景技术：

自动铺丝成型技术因其高质量、高效率、适应性强的特点已经被广泛的应用于具有复杂外形的先进复合材料构件的自动化成型过程中，因此已经成为了大型航空航天飞行器的标配制造技术。

在自动铺丝成型过程中，自动铺丝轨迹设计的精准度直接影响着铺放纤维取向与设计取向之间的偏差，决定着自动铺丝成型构件的最终性能。为使铺放后纤维取向与设计取向相同，轨迹规划常采用以下步骤进行：基于基础参考线，获得一系列与模具曲面相交空间曲线(切片环)作为纤维角度的基准线，在基准线(切片环)的基础上，计算出与基准线成固定角度(与设计取向相同)的铺放轨迹点。与其他方法相比，该种算法适应性更为广泛。显然，在该种方法中，基础参考线和基于该参考线的切片环的计算和构造十分的重要，直接决定着纤维曲线与设计取向之间的角度偏差，尤其是针对复杂类回转体构件的轨迹规划。

目前针对复杂类回转体构件，轨迹规划时多采用的基础参考线为回转主轴，所得的切片环是与主轴垂直的平面与模具表面相交得到的空间曲线，由于所得切片环处处平行，并不足以反映复杂类回转构件表面的形状变化，具有局限性。

技术实现要素：

本发明提供了基于类回转体构件形心的自动铺丝轨迹切片环生成算法，能够根据回转体构件的具体情况的构建切片环,更准确的反映回转体构件表面的形状变化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于类回转体构件形心的自动铺丝轨迹切片环生成算法，包括：

步骤1、在数模中根据1个/mm的密度构造出与构件的主轴垂直的若干平面，得到所述构件的曲面与所述平面相交所得的若干截面；

步骤2、加载形心点有效性判断标准，对所述截面的形心点进行有效性判断，得到有效形心点,所述有效形心点拟合形成形心曲线；

步骤3、根据1个/mm的密度构造过所述有效形心点的辅助平面，所述辅助平面的法向量是所述形心曲线在有效形心点处的切向量，所述辅助平面与所述构件的交线是切片环；

步骤4、加载切片环上点的有效性判断标准，判断所述切片环上所有点的有效点，得到切片环上的有效点,连接所述有效点作为铺放角度参考线，所述铺方角度参考线即为基于形心曲线的切片环，其中，在曲率比较大并且形心点比较密的情况下，切片环可能会形成交叉，导致轨迹点出现折返现象，不符合复合材料铺放成型要求，因此需要对切片环上的点进行有效性判断。

进一步的，所述形心点有效性判断标准，包括：

所述有效形心点对应的所述截面是一个封闭曲面。

进一步的,所述形心点有效性判断标准还包括：

所述形心曲线上任一点的切向量和所述任一点所处截面的边界点均值向量之间的角度偏差在允许误差范围内。

进一步的，所述允许误差范围具体表达为：

cos^-1(nx×nxe+ny×nye+nz×nze)＜θ(1)

其中，所述任一点的切向量为(nx,ny,nz)，所述边界点的均值向量为(nxe,nye,nze)，所述允许误差为θ,，θ＝1.5°。

进一步的，相邻的所述形心点的切向量间夹角不大于10°，并且相邻的所述切片环之间最大间距不大于3mm。

进一步的，所述切片环上点的有效性判断标准包括：

形心点i和形心点k相邻，所述形心点i的坐标为(xi,yi,zi)，切向量为(nx,ny,nz)，所述形心点i所处的所述切片环表达式为

nx(x-xi)+ny(y-yi)+nz(z-zi)＝0(2)

取过所述形心点k的切片环上的任一点j点，其坐标为(xkj,ykj,zkj),根据所述坐标求解式(2)，当nx(xkj-xi)+ny(ykj-yi)+nz(zkj-zi)≥0时，所述j点有效。

本发明的有益效果是：形心切片环更好地反映了构件曲面的变化趋势，切片环之间不再相互平行，而是随构件轮廓变化，因为形心切片环是后续轨迹点及铺放角度的参考线，基于形心切片环的铺放角度更顺应曲面的形状变化，使得铺丝时纤维的走势更有利于发挥纤维的拉伸强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是s形复杂构件的结构图；

图2是沿主轴对构件切片后的所得截面形状；

图3是根据主轴切片后的截面形状拟合出的形心曲线；

图4是基于形心曲线所得的有效切片环；

图5是基于形心曲线的切片环判断示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例在仿真平台中完成，其中，切片环的数据结构包括：

基于构件形心的切片环数据结构

基于类回转体构件形心的自动铺丝轨迹切片环生成算法，包括：

步骤1、在仿真平台中搭建s型复杂构件，如图1所示，构件的主轴为l，l与仿真平台的z轴平行，以δz＝1mm为间距，在主轴上构造一系列垂直于主轴lr且相互平行的平面族pi，并获得如图2所示的各个平面与构件相交所截得的截面的边界ei，i＝1,2,3…；

步骤2、在仿真平台上对边界ei的截面的形心点进行计算，获得各个截面形心点的坐标信息(xi,yi,zi)，i＝1,2,3…,基于上述各形心点，初步拟合出形心曲线lt,加载形心点有效性判断标准，对所述截面的形心点进行有效性判断，得到有效形心点，有效形心点拟合的有效形心曲线是lf；其中，形心点有效性判断标准包括：

(1)有效形心点对应的截面是一个封闭曲面；

(2)q点为某一截面的形心点，根据拟合出的形心曲线可知，q点的切向量为(nx,ny,nz)，而q点所处的截面上各边界点切向量的均值可根据截面形状计算，表示为(nxe,nye,nze)，当二者满足关系cos^-1(nx×nxe+ny×nye+nz×nze)＜θ时，该形心点q是有效形心点；

步骤3、根据1个/mm密度构造过所述有效形心点的辅助平面，所述辅助平面的法向量是所述有效形心点的切向量，所述辅助平面与所述构件的交线是切片环cti，i＝1,2,3…如图4所示；

步骤4、加载切片环上点的有效性判断标准，判断所述切片环上的有效点，连接所述有效点作为铺放角度参考线，所述铺方角度参考线即为基于形心曲线的切片环；其中，之所以需要对切片环进行有效性的判断，是因为切片环所在平面是以形心点切向量为法向量的，因此基于构件形心的切片环将不再相互平行，随构件轮廓变化，相互之间有一定的夹角，有时甚至相交，相邻或相近环相交会导致后续规划所得轨迹出现“折返”现象，但铺放成型要求铺放轨迹应具有单一性，没有“折返”现象的切片环如图5所示；

切片环上点的有效性的判断包括；形心点i和形心点k相邻，所述形心点i的坐标为(xi,yi,zi)，切向量为(nx,ny,nz)，形心点i所处的切片环表达式为

nx(x-xi)+ny(y-yi)+nz(z-zi)＝0(2)

取过相邻形心点k的切片环上任意一点j，j点坐标(xkj,ykj,zkj)。根据j点坐标求解式(2)，当nx(xkj-xi)+ny(ykj-yi)+nz(zkj-zi)≥0时，认为该点为有效点，属于轨迹求取的有效点。按照相同的方法判断所有切片环上各点的有效性并在数据文件中予以标示却别。

综上，本发明提出的基于类回转体构件形心的自动铺丝轨迹切片环生成算法，可以根据构件的扭曲程度找出构件形心曲线，进而得到切片环，最后基于切片环的布局及走势，进行铺放角度的求取和铺放轨迹的设计，更能反映复杂构件局部体现纤维方向设计的要求，更契合构件力学性能要求，对于构件的性能提升、减重具有重要意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。