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復合材料自動鋪放CADCAM技術

文章來源:新意玻璃鋼 已有次個人瀏覽并咨詢 打印 發表時間:2014-08-13 08:58

復合材料構件手工成型時,根據鋪放形面特征和預浸帶寬度經剪裁后通過手工鋪疊到模具表面完成復合材料構件的成型制造,其生產效率低、廢料率高、產品質量也難以保證。自動鋪放技術(包括自動鋪帶技術和自動鋪絲技術)利用專用鋪放設備,采用數控技術,實現了鋪疊的自動化和預浸帶剪裁的自動化,突破了大型復合材料構件手工成型難以克服的瓶頸,具有高效、高質、高精度和高可靠性的優點,已廣泛應用于大型飛機、運載火箭等各類航空航天飛行器中多種結構部件的制造,成為發達國家航空航天工業領域中大型復合材料構件的典型制造工藝。

方向性要求:纖維鋪放方向必須滿足復合材料結構鋪層設計方向。復合材料既是一種材料也是一種結構,其突出優點之一是性能的可設計性,不同的鋪層方向與鋪層形式可以形成不同性能的復合材料。因此,按結構工藝設計要求的纖維方向進行鋪放是實現結構設計要求的基礎,也是設計鋪放軌跡規劃算法的基本準則。

可鋪性要求:鋪放過程中預浸料不褶皺、不撕裂。自動鋪放技術采用一定寬度的預浸帶:自動鋪帶技術采用75/150/300mm等3種寬度的預浸帶,自動鋪絲技術采用3.2/6.4/12.7mm等3種寬度的窄帶。預浸帶可變形范圍很小,復雜曲面鋪疊時只能沿特定的軌跡,否則會導致褶皺或撕裂,繼而影響構件的鋪放質量,甚至導致鋪放過程無法順利進行。在復雜曲面構件自動鋪放軌跡規劃時,其算法必須根據構件曲面外形綜合考慮預浸帯在鋪放過程中的變形因素。

間隙質量要求:單層鋪放時滿足間隙容差設計要求,滿覆蓋、不重疊。自動鋪放時,由于構件形面的復雜性,按照一定算法求解所形成的鋪放軌跡并不一定能保證鋪放軌跡中心線間的距離保持恒定,間隙可能過小或過大,如不進行適當處理,將導致材料局部重疊或空缺,從而降低制造精度,影響構件性能。

經濟性要求:在滿足上述要求的基礎上盡可能節約材料、降低成本,提高效率。根據鋪放軌跡并按照鋪放構件曲面邊界特性進行預浸帶邊界形狀規劃,生成預浸帶切割與預浸帶輸送(自動鋪帶)或絲束增減切斷(自動鋪絲)的特殊指令代碼,同時根據鋪疊順序進行整合優化,降低成本,提高效率。

完善的自動鋪放CAD/CAM軟件主要包括如下幾個功能模塊:

(1)軌跡規劃:根據輸入的預浸帶(料)鋪放工藝信息(如預浸帶帶寬、預浸紗絲寬、橫向最大可變性度等)、構件外形曲面幾何信息特性和機器特性信息(最大可鋪放絲束數等),按照構件加工信息(如鋪放方向、鋪疊順序和鋪放層數等)建立相應的規劃算法,生成自動鋪放軌跡中心線;

(2)覆蓋性分析:根據輸入的設計鋪放間隙容差和相鄰軌跡中心線在曲面上距離,構造相應的算法進行覆蓋性判斷與處理,完成帶形切割或絲束增減判定,實現對模具的滿鋪疊;

(3)邊界處理:根據構件內外邊界的幾何信息和自動鋪放設備的工作特性,建立相應的算法,完成預浸帶的切割(自動鋪帶)或絲束增減(自動鋪絲),以實現復合材料剪裁的自動化、數字化;

(4)基于Fiber steer的結構優化:結合變剛度復合材料設計理論,采取連續變角度鋪放,滿足構件在不同方向上的承載要求,實現按結構設計要求的纖維分布,充分發揮材料效率,進一步減輕結構重量,降低復合材料制造成本;

(5)鋪層仿真技術:由于鋪放過程的復雜性,軟件的人工交互不可或缺。提供一定設計規劃中的人機交互,也是軟件靈活性的重要體現。根據修改后的數據,采取相應的可視化技術,完成針對某鋪層的軌跡及帶形仿真,以便使用者對前述功能的有效性、正確性做出初步判斷;

(6)后置處理:根據鋪放設備的機器特性和工作模式,將軌跡規劃生成軌跡中心線離散數據、覆蓋性分析所生成的絲束增減數據、邊界處理所生成的預浸帶切割(增減)數據通過坐標轉換與坐標分解生成可供專用鋪放設備進行生成的NC 代碼;

(7)鋪層代碼合成:為了減少構件多層鋪放過程中的無效過程,降低成本,提高鋪放效率,將多個單層鋪放的NC代碼進行整合優化;

(8)干涉與避碰檢驗:利用計算機三維圖形技術,通過布爾運算判斷機器是否干涉,通過對NC代碼的調整(主要是人工交互)實現避碰;

(9)加工仿真:根據前述步驟生成的NC代碼,利用計算機三維圖形技術對整個加工過程進行仿真,供使用者對所生產NC代碼進行最終效驗。

自動鋪放CAD/CAM軟件技術的發展

西方發達國家經過幾十年的研究,特別是隨著專業軟件開發商的加入,已經開發了多套商用自動鋪放CAD/CAM軟件并形成了完備的復合材料設計制造解決方案。1987年,美國的H.W.Lewis等首次提出了“自然路徑”(Natural Path)的概念以保證預浸帶在自動鋪放過程中變形最小,建立了通過將xoy平面中獲得的初始點和由鋪放角度計算得到的初始方向投影到曲面,再利用多次投影進行近似求解“自然路徑”的軌跡規劃算法。在該專利的基礎上,美國Cincinnati公司于1989年開發了ACES(Advanced CompositesEnvironment Software)離線編程與仿真軟件系統,ACES系統將“自然路徑”算法應用于自動鋪絲軌跡規劃,形成了用于自動鋪帶的ACRAPATH模塊和用于自動鋪絲的ACRAPLACE模塊,具有CATIA V5模型數據的導入、軌跡規劃、后置處理、加工仿真和NC代碼生成等功能,并成功應用于長度為4.21m的美國V-22“鶚”式軍用飛機后機身復合材料結構件的制造,通過軌跡優化減少勞動力53%,廢料率降低了90%。隨后,日本的N.Shinno等于1991年提出了利用四邊形網格化曲面,通過求解給定初始點和初始方向的測地線迭代算法進行軌跡規劃,提高了“自然路徑”軌跡規劃算法的精度和效率。

此外,針對自動鋪絲技術的特性,美國的Waldhart等提出了根據相鄰鋪層角度構造分段函數的方法求得初始參考線,再按初始參考線法線方向投影作等距平移得到參考線族進行自動鋪絲軌跡規劃的方法;Hale等在此基礎上開展了以0°軌跡為基礎構造分段曲線再擬合得到初始參考線的研究工作;Shirinzaden等提出了利用特征平面與鋪放曲面的交線作為初始參考線的方法。

目前,自動鋪絲常見的軌跡規劃方法包括:根據初始參考線在曲面上進行等距平移法(Parallel Path)、與某一參考軸線成固定角度規劃法(FixedFiber Orientation Path)、針對回轉體環向鋪放的等距螺旋法(基于纏繞技術)和給定點纖維方向進行軌跡規劃(基于變剛度鋪放理論)等4種方法。在上述算法的基礎上,專業軟件開發商結合自身軟件產品與設備制造商聯合開發了商用自動鋪放CAD/CAM軟件。如美國VISTAGY公司的FiberSIM軟件提供了多種復合材料設計制造解決方案。其中Tape Laying Interface模塊用于自動鋪帶,Fiber Placement Interface模塊用于自動鋪絲。該軟件可讀取CATIA、UG、Pro/E 等通用CAD/CAM/CAE軟件文件中構件幾何信息以及構件模具面、層位置和邊界信息等,準確生成滿足鋪層邊界要求的平面展開圖樣,根據設計要求自動生成NC加工代碼文件,還可以完成復合材料部件的可制造性評估,精確模擬纖維的材料特性,完成復合材料部件的分析、設計和制造,將層合板的設計信息與有限元分析軟件和制造設備形成無縫連接,可實現設計制造過程一體化、自動化,降低制造成本。

美國CGTech公司在原有數控加工仿真軟件VERICUT的基礎上開發了獨立于CNC機床環境的自動鋪帶和自動鋪絲的離線NC 編程及仿真軟件VCP & VCS(VERICUT Composite Programming and Simulation) 軟件,該軟件可讀取CAD文件中的曲面模型和鋪層邊界信息,生成鋪放軌跡,整合單層軌跡,進行鋪層順序優化。生成NC代碼,同時提供了通用CAD/CAM軟件接口,能實現CATIA、UG、MasterCAM等軟件的嵌入運行。AFPT/Koeirit公司即采用該軟件用于熱塑性鋪帶系統的開發。

2004年,空中客車公司(AIRBUS)與法國純粹和應用數學中心(CIMPA)以航空航天領域廣泛采用的CAITA V5軟件為平臺,基于CATIA CAA V5技術聯合開發了自動鋪帶CAD/CAM的TapeLay軟件。該軟件可直接集成到CAITA V5系列軟件中,包括自動鋪帶CAD部分的Tape Generation模塊和CAM部分的Tape Manufacturing模塊。TapeGeneration模塊直接獲取CATIA CPD(Composite Design)模塊的鋪層設計數據,完成鋪層展開、軌跡規劃、帶形切割設計、實時三維仿真等步驟;TapeManufacturing模塊則主要針對法國Forest Line公司的一步法鋪帶機、兩步法鋪帶機和雙工位鋪帶機生成相應的加工NC代碼。該軟件已成功應用于法國Rafale戰斗機機翼蒙皮的制造,西班牙M-Torres公司也采用了該軟件用于自動鋪放設備的開發,美國Ingersoll公司則開發了同樣基于CATIA CAA V5技術的自動鋪絲CAD/CAM軟件ICPS(Ingersoll Composite Programming System)軟件。

國內自動鋪放CAD/CAM軟件技術的研究現狀

由于相關技術封鎖,加之缺乏相應的工藝技術和裝備條件,國內目前尚未擁有商用的自動鋪放CAD/CAM軟件,相關技術仍處于積極探索研究之中。目前,報道可見的自動鋪放CAD/CAM技術研究主要集中在軌跡規劃和加工仿真的基礎理論,對于自動鋪放CAD/CAM技術后續模塊功能及整體設計的研究鮮有報道。

南京航空航天大學從平面、可展曲面簡單復合材料構件的自動鋪帶入手,積極開展自動鋪放研究工作。如胡翠玲等通過微分幾何原理證明了可展曲面上“自然路徑”與測地線的等價性;臧建峰等在此基礎上研究了平面、簡單可展曲面(如圓柱、圓錐面)的自動鋪帶問題,研究分析了自動鋪帶工藝過程并基于AutoCAD通用CAD平臺完成了自動鋪帶CAD/CAM軟件開發的探索工作;渠濤等開展了開孔圓柱兩步法自動鋪帶軌跡規劃和仿真的探索工作;王升等針對自動鋪帶“自然路徑”規劃算法數學模型和近似計算誤差分析等問題中,提出了基于測地坐標系的“自然路徑”軌跡規劃方法并利用龍格—庫塔法數值求解“自然路徑”軌跡規劃算法中兩點間的測地線問題;羅海燕等受四邊形網格化求解“自然路徑”的啟發,利用STL文件對自由曲面進行三角網格劃分,并平移軌跡中心線形成參考線的方法處理“奇異點”問題。

目前,自動鋪絲技術的研究主要集中在根據初始參考線在曲面上做等距平移進行軌跡規劃和與某一參考軸線成固定角度進行軌跡規劃。構造合適的初始參考線,建立適當的曲面平移方法和求取合適的參考軸線并構造曲面上與該參考軸線成固定角度的迭代格式成為了國內研究的熱點。如李善緣等提出由一組數據點擬合樣條曲線正交投影到鋪放曲面作為初始參考線的方法;黨旭丹等開展了基于測地線的平行等距規劃算法的研究工作,提出利用測地線偏移初始參考線,概念明晰但計算量甚大難以實際應用;林福建等探索了利用三角面片進行曲面離散、按與參考軸線成固定角度的方法進行軌跡規劃;王念東等研究了管狀構件的規劃方法,利用分片圓切法求得關鍵點構造控制母線后,通過插值法求出所有控制母線作為參考軸線并按與參考軸線成固定角度的方法生成軌跡,并對可能出現的覆蓋性分析問題進行了討論,探索了覆蓋性分析算法;周燚等提出了基于芯模中心軸線求得參考軸線,按與該參考軸線成固定角度的封閉曲面軌跡規劃算法,并利用等距點的投影插值求出等距線,根據當前鋪絲路徑上各點與等距線的距離關系進行覆蓋性分析;邵冠軍等提出了按構件主應力的大小和方向構造基于等距線和等分點的軌跡規劃設想,但實際結構均以多向層合板形式出現,層合板中每一鋪層的應力狀態與剛度分配有關、不能預先設定,主應力方向與鋪層纖維方向未必一致。

自動鋪放CAD/CAM軟件技術的展望

自動鋪放CAD/CAM軟件技術是實現復合材料構件自動化制造的關鍵技術,軟件功能將直接影響復合材料構件的制造效率和產品質量,材料工藝技術和裝備技術研究的深入對自動鋪放CAD/CAM軟件技術提出了更高的要求。研究面向自動鋪放技術的復合材料結構設計方法已成為自動鋪放CAD/CAM軟件技術的研究熱點:針對采用自動鋪放技術制造復合材料結構所帶來的結構變剛度的特征,開展自動鋪放復合材料變剛度理論、自動鋪放復合材料結構優化設計及其軌跡規劃設計算法的研究工作,進一步發揮材料效率,降低復合材料構件的成本。利用通用有限元分析軟件進行二次開發,將自動鋪放CAD/CAM軟件與復合材料自動鋪放性能評價結合起來,實現自動鋪放CAD/CAM/CAE一體化,充分發揮復合材料結構功能一體化和設計制造一體化的特點,也將是今后研究的重點。

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