基于网格流形的自适应路径规划关键基础理论研究

Path planning is a key issue in robotic fiber placement of composite materials, which determines the quality, the efficiency and the performance of formed structures. Using mesh manifold theory and based on the analysis of particularities of path planning for composite structures expressed by mesh surface, we investigate the common scientific problems in it. We probe a high efficient method of path planning, which reflects both geometric and physical properties of composite structures, and has adaptive function. We reveal the relationship between the reference path design, the spreadability and the function of formed structure and resolve the key problems in segmentation of the area to be placed, optimization of the reference path, adaptive control , computation of fiber numbers and error propagation in order to release that the resulting path can reflect enough the geometric and physical properties of structures and hence provide some advanced theories and algorithms to the development of fiber placement software system with independent intellectual property rights, which will make a breakthrough with the application of composite in large aircraft project.

路径规划是复合材料自动铺丝成型工艺过程中关键问题，决定纤维铺放的质量、效率以及成型后构件性能的优劣。本项目采用网格流形理论，在分析网格曲面表征的复合材料构件自动铺丝路径规划特性基础上，研究网格曲面表达的构件路径规划中的共性科学问题，探讨既能够反映构件几何特性又考虑到物理属性（应力分布及刚度、强度）的，规划过程人为干预较少，具有自适应功能，计算速度快的高效的铺丝路径规划方法, 分析参考路径设计，覆盖性分析，成型构件性能的内在关系，解决路径规划必须考虑的铺丝区分割、参考路径确定优化、自适应调控、丝数求取、误差传播控制等关键问题，实现路径规划充分反映构件物理的、几何的性能等目标，为开发研制自主知识产权的铺放系统软件提供先进的理论与算法，使复合材料在大飞机工程上的应用获得突破性进展。

高性能纤维为增强体的复合材料具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性和抗腐蚀性等优点，因而广泛用于航空、航天等先进高科技领域。 自动铺丝是近年来发展和广泛应用的复合材料自动化制造技术。在复合材料自动铺丝成型工艺过程中，铺丝路径规划是决定纤维铺放的质量、效率的关键因素，直接关系到铺放能否成功以及成型后的构件性能优劣。本项目研究目的是以网格曲面为表达的复合材料自动化铺放技术中的重要环节----路径规划提供系统的基础理论和方法. 主要研究内容:探求既能反映构件几何特性又考虑到物理属性（应力分布及刚度、强度）的、规划过程人为干预较少、具有自适应功能、计算速度快的高效铺丝路径规划方法。主要结果有：将铺丝区域按物理属性、几何属性综合优化分割为不同子区域，针对不同子区域构建不同的参考路径，该参考路径是多个属性约束量的自适应优化解；利用移动界面数值模拟方法，在网格曲面上模拟铺丝参考路径的迭代生成与波动传播，实现铺丝路径的网格动态表示，实现铺丝路径自适应规划；对于复杂无明显次序规律的承载信息，选取合适的分组标准对其进行归类处理，并反映到网格曲面上，形成区域的划分，在各个区域中分别构造具有自适应的基准路径；提出一种基于高斯分布函数的铺丝路径优化方法，只需用一个变量来选择任意数量离散铺放角度中的优化角度。通过调整高斯分布函数中的参数，使整个铺丝方向收敛，并利用空间滤波技术，实现整条路径连续；结合多基准路径的规划方法特点，根据初始铺层的铺放方式，给出新铺层的铺放方式。提出了由于多基准路径铺放可能带来的结构强度不合理的铺层设计解决方案；建立路径能够使用户根据实际需求调节不同因素的权重从而灵活控制路径走向的机制，高效快速的路径覆盖性分析算法、丝数求取算法、增减丝判断算法以及路径规划与构建性能的评价机制。为开发研制自主知识产权的铺放系统软件提供先进的理论与算法，使复合材料在大飞机工程上的应用获得突破性进展。