[發明專利]自由曲面Z?pin植入路徑生成方法

有效

• 申請號: 201410307489.7
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104134227B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 王顯峰;王若舟;肖軍;張向陽;褚奇奕
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明屬于計算機輔助設計與制造領域，特別涉及一種在自由曲面上生成Z-pin植入路徑的方法。

背景技術

Z-pin技術是一種復合材料三維增強方法，主要適用于預浸料成型復合材料層合板殼。其基本原理是將針狀細桿(即pin)沿垂直方向植入到未固化的層合構件中。在機械阻力和化學共固化等結合作用下，pin針像釘子一樣將層合板的各個鋪層固結在一起，能顯著提高層合件的抗分層，抗剝離等層間性能。常用的Z-pin材料是直徑為0.2mm-1.0mm的高強度、高模量鈦合金短針或碳纖維短針。Joseph?S.Boyce等人發明的了UAZ(Ultrasonically?Assisted?Z-Fiber)是最常用的Z-pin增強工藝(參考文獻為：Ultrasonic?fastening?system?and?method[P].USA:5800672,1998.)，包括四大步驟：第一步，制備pin針。第二步，把pin針按一定陣列垂直插入泡沫板中得到Z-pin預制體，并將預制體貼合在未固化的層合件表面。第三步，用超聲槍把泡沫中的Z-pin壓入層合板。第四步，清理表面并固化。工藝流程如圖1所示。

在UAC工藝的第三步中，超聲槍的植入路徑，也就是超聲槍的位置和姿態需要精確控制，既要保證超聲槍壓到工件表面以便將pin針完全扎入層合板，又要保證槍頭垂直入層合板，避免pin針傾倒或折斷。對于平板類零件，超聲槍的位置在平面內平移，下壓方向不變化，植入路徑很簡單。對于回轉體構件，植入路徑可以選擇回轉體母線上，據此，宋清華等人研制了針對圓柱、圓錐類構件的自動化植入平臺。(參考文獻為：圓錐類構件Z-pin自動超聲輔助植入平臺設計與研究[J].南京航空航天大學學報,2013,45(5):700-707.)對于自由曲面構件，植入位置和方向都比較復雜。本發明提出了針對自由曲面開發Z-pin植入路徑的生成方法。

發明內容

本發明提出了一種自由曲面上Z-Pin植入軌跡的生成方法。通過將自由曲面三角網格化，將曲面上求解軌跡轉化為在三角網格上求解折線段。最終得到植入點坐標和植入方向。

為此，本發明采用如下技術方案：

步驟1、建立需要植入Z-pin的層合板的自由曲面數字化模型；

步驟2、將模型劃分為三角網格，用大量三角形拼接近似表示曲面；整理三角形的點、線、面信息，得到所有三角形的三個頂點坐標和三角形構成平面的法向量，以及三角形之間的共邊關系；

步驟3、在三角形網格上沿固定參考方向生成第一條軌跡，用一組軌跡點來描述，具體過程如下：

參考方向任意設定，設為x方向，軌跡的起點選擇模型邊角，尋找該點所在的三角形作為第一三角形，做該點處參考方向在第一三角形內的投影，投影與第一三角形一邊的交點為第二個軌跡點；通過第二軌跡點找到與第一三角形共邊的三角形，作為第二三角形，在第二個軌跡點做參考方向在第二三角形上的投影，投影與第二三角形的邊界交點為第三個軌跡點；重復操作直到軌跡點到達模型另一側邊界；這一系列有序的軌跡點組成了第一條軌跡；

步驟4、在曲面上平移第一條軌跡上的所有軌跡點，組成第二條軌跡，實際上是平移第一條軌跡的所有軌跡點，具體過程如下：

平移某一點時，平移方向為τ，τ＝x×n，其中n為該點所在三角形的法向，x為步驟3中參考方向，平移距離為超聲槍頭寬度W；

平移P點時，設P'點為平移終點，則平移方向τ₁＝x×n₁，交該三角形的一邊于P₂點；計算PP₂的長度，并根據以下規則判斷并計算平移終點P'的坐標；

規則1如果PP₂＝W，則點P₂即為所求平移終點P'；

規則2如果PP₂>W，則平移終點P'在線段PP₂上，設P點、P₂點坐標分別為(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)；則P'點坐標(x',y',z')＝η×(x₁,y₁,z₁)+(1-η)×(x₂,y₂,z₂)，其中