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南京航空航天大学
硕士学位论文
基于铺层承载信息的自由曲面自动铺丝轨迹规划技术研究
姓名:王培源
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:李勇
2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
自动铺丝技术凭借其低成本、高效率、高材料利用率、高制造精度、生产制造自动化、数
控化等特点,已成为发达国家航空航天工业领域中大型复合材料构件制造典范,广泛应用于现
代大型飞机的关键低成本自动化制造过程。
针对复合材料结构承载特征和结构优化要求,本文开展了基于铺层承载信息的自由曲面自
动铺丝轨迹规划和仿真研究,主要工作分为以下几方面:
(1)基于铺放曲面的承载特征和结构结构优化要求,采用以给定点的半径倒数为加权因子、
在半径为一定范围(一个带宽)内的若干已知点铺层方向加权平均值作为给定点的铺放修正方
向,以此来构造初始铺丝参考轨迹;
(2)在初始参考铺丝轨迹上,由其离散点的法矢和副法矢构造“特征截面”与铺放曲面相交,
提取初始参考轨迹两侧交线弧长的最大值进行满铺覆求解,并根据该计算结果,采用平行等距
轨迹规划算法求解其他丝束中心轨迹;
(3)利用牛顿-拉夫逊迭代法原理,建立铺丝路径与边界的迭代相交求解模型,通过累加
铺丝路径两端外插延伸量并与边界进行迭代相交,使设计轨迹满足铺丝边界完整性要求;
(4)根据上述算法,以 为开发平台,利用 CATIA Automation 技术开发了基于铺层
承载信息的自由曲面自动铺丝轨迹规划 CAD 模块;
(5)提取 CAD 模块中单丝轨迹与复杂边界相交的关键点信息和铺丝路径上的离散点信息
并赋予相应的特征描述,R 点至边界的长度)比较的点信息顺序输出模
型,沿铺丝路径轨迹设计方向顺序输出所有铺丝点信息;
(6)应用机器人运动学原理和 OpenGL 技术建立 CAE 仿真模块,用以验证自动铺丝轨迹
规划算法和数据输出的正确性和有效性;
结果表明:在满足复合材料铺层方向设计特点和纤维最大可变形度的前提下,该算法可以
实现基于单层承载信息的自由曲面变角度铺丝轨迹设计,为进一步研发基于承载和结构优化要
求的轨迹设计方法奠定了基础。

关键词:复合材料,自动铺丝,轨迹规划,自由曲面,承载要求,CAD/CAE,CATIA
I
基于铺层承载信息的自由曲面自动铺丝轨迹规划技术研究
ABSTRACT
With the advantages of low-cost, high efficiency, high utilization ratio of materials, high forming
precision, high automatization and numerical control of manufacturing, the Automatic Fiber
Placement technology (AFP) has e a typical manufacturing processing for the large-sized
ponents of aeronautics and astronautics in developed countries and been widely used
in the low-cost manufacturing process for the modern aircrafts recently.
Based on the loading characteristics and optimization requirements of posites
components, the study of fiber placement trajectory design algorithm for the free-form surface with
given ply orientation information and its simulation is carried out. The contributions of this paper are
summarized as below:
(1) Based on the loading characteristics and structure optimization requirements, the initial
reference path for fiber-placement is generated by the given points and the modified fiber-placeme