[發明專利]一種編織陶瓷基復合材料預制體鋪層紗線路徑模擬方法

有效

• 申請號: 201911064329.3
• 申請日: 2019-11-04
• 公開（公告）號: CN110714259B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 宋迎東;張煦;高希光;張盛;于國強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: D03D25/00
• 分類號: D03D25/00
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

本發明提供了一種編織陶瓷基復合材料預制體鋪層紗線路徑模擬方法，該方法依據編織陶瓷基復合材料的鋪層型面，自動實現在鋪層代表曲面的平紋編織紗線投影路徑繪制，為后續的編織陶瓷基復合材料的工藝仿真研究以及有限元計算建立了基礎。本發明紗線路徑的仿真過程完全實現了參數化，當鋪層角度、紗線間距發生變化時，可以僅通過修改參數達到快速修改紗線路徑的目的。本發明在建立紗線路徑模型時采用了最短路徑的方式，根據設定主方向和曲面的幾何型面自動生成紗線路徑，模擬了平紋編織布鋪設成預制體鋪層后各紗線的變形結果，對預制體鋪層的成型有較為真實的體現。

技術領域

本發明屬于平紋編織復合材料鋪層設計技術領域，具體涉及一種編織陶瓷基復合材料預制體鋪層紗線路徑模擬方法。

背景技術

陶瓷基復合材料(CMCs)有高強度、高彈性模量、低密度、耐高溫、抗燒蝕等特點，具有代替金屬作為航空發動機熱端部件材料的潛力，CMCs的研究成為航空材料領域研究的熱門。其中，編織CMCs是CMCs的主要類型，包括2維編織CMCs、2.5維編織CMCs和3維編織CMCs等。編織CMCs具有復雜的預制體結構，其復雜性很大程度取決于各平紋編織層的型面復雜度，因此預制體鋪層紗線路徑的仿真在編織CMCs細觀結構分析中起到關鍵作用，建立能反映編織CMCs預制體/結構鋪層幾何型面的紗線路徑是有必要的。

目前對CMCs預制體紗線的建模和規劃方法主要分為兩種。第一種方法是計算機識別法，該方法首先通過XCT技術獲得CMCs預制體的內部圖像，然后通過計算機圖形識別技術識別出預制體的經紗和緯紗，將每一幅圖片堆疊起來獲得編織CMCs預制體的紗線模型(見中國專利CN106469454A《一種復合材料細觀結構的計算機圖形識別技術和三維建模方法》)。但是該技術只能根據已制造出的結構件進行識別和建模，不能根據所設計的模型進行紗線路徑仿真和建模。

第二種方法是在任意曲面上進行紗線路徑仿真。該方法通過某一平面截取目標曲面獲得基線，然后采用一些等距算法規劃出整體曲面的紗線路徑(見符文貞，吳建軍，趙玉靜等.復合材料鋪層曲面鋪設仿真技術[J].玻璃鋼/復合材料,2010(5))。實際的預制體成型過程是將編織纖維布鋪設到具有復雜型面的結構模具中，紗線路徑從二維直線變為三維曲線。而且采用等距算法求出的各紗線間距處處相同，但實際的鋪設結果并非如此，將具有等間距紗線的二維纖維布鋪敷到三維曲面后，由于變形，紗線位置會發生一定的變化，從而不會繼續保持紗線各處間距相等。

因此有必要設計一種編織CMCs預制體紗線路徑仿真方法，采用參數的形式完成路徑設計，能夠模擬紗線映射到三維曲面上的變形結果。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，提供一種編織陶瓷基復合材料預制體鋪層紗線路徑模擬方法，該方法也可適用于其他類型的編織復合材料。該方法可以根據鋪層型面、紗線間距、鋪層角度等信息自動生成紗線路徑。同時參數化的設計使得對紗線信息可作快速修改，應用范圍更廣。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種編織陶瓷基復合材料預制體鋪層紗線路徑模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：輸入曲面幾何模型，抽取曲面幾何模型每一鋪層的中位面作為代表曲面；

步驟二：對代表曲面進行三角形單元網格劃分，得到劃分網格后的代表曲面數據；

步驟三：對代表曲面數據進行結構化處理，建立曲面、三角形單元、邊、點四者之間相互聯系的數據結構；

步驟四：對代表曲面進行邊界提取，確定曲面的主邊界；

步驟五：在主邊界中選取曲面主方向基點，求出主方向基線，并提取曲面中心點；

步驟六：根據主方向基線、曲面中心點和紗線鋪設角度，確定經紗基線和緯紗基線；

步驟七：對經紗基線路徑進行分段，基于分段后的經紗基線，求出所有經紗路徑；