基于近似测地线的自动铺带轨迹规划理论与方法研究

Automated tape placement (ATP) is one kind of additive manufacturing technology, and suitable for manufacturing composite components with large size and small curvature, such as airfoil and panel. This technology has the advantage of low cost, high efficiency, and could help to increase the amount of composite material and improve the comprehensive performance of China’s aircraft. Trajectory planning is the key link of ATP, which directly affects the precision and efficiency of the lay-up process, and the quality of final product. This project aims to ensure the quality of large composite components and improve the productivity in aviation industry. In this project, we research on the key problems of trajectory planning, which includes the forming mechanism of wrinkling and the evolution of lay-up gap. Based on this research, an optimization strategy for the lay-up trajectory is proposed. This strategy takes advantage of the deformability of prepreg to prevent overlaps and gaps which are greater than 2mm between adjacent tapes. The purpose of this project is to break through the key technology of trajectory planning for ATP, and to provide the theoretical basis and technical support for the automatic manufacture of large composite parts.

自动铺带技术是一种增量制造技术，适用于制造翼面、壁板等大尺寸、小曲率复合材料构件，具有加工成本低、效率高等特点，是增加我国大飞机复合材料用量，提升飞机综合性能不可或缺的关键技术。轨迹规划是自动铺带的关键环节，直接影响铺放过程的精度、效率以及最终产品的质量。本项目以航空制造业对保证大型复合材料构件产品质量和提高加工效率的需求为出发点，针对自动铺带工艺中轨迹规划的关键问题开展研究，包括铺放褶皱的形成机制，铺放间隙的产生、演化规律。基于铺放褶皱、间隙的研究提出一种铺放路径的优化策略，合理地利用预浸带允许变形的能力，在防止褶皱产生的前提下，保证相邻预浸带不产生覆盖，且间隙不超过2mm。本项目旨在突破自动铺带轨迹规划关键技术，为大型复合材料构件自动化制造提供理论基础与技术支撑。

复合材料应用是当代大型民机的一项关键技术，大量使用复合材料是减轻结构重量，提高结构效率，提高民用飞机的经济性、舒适性，体现先进性的重要举措。国际大型飞机的发展历程表明：自动铺带技术是制造大型飞机中复合材料构件不可或缺的关键技术。本项目针对自动铺带技术中轨迹规划这一关键环节开展研究，主要研究内容包括铺放褶皱的形成机制、铺放间隙的产生与演化规律、基于测地曲率驱动的近似测地线模型的建立与分析、基于近似测地线的多目标分层次铺放路径优化策略。本项目建立了铺放褶皱的形成机制，指出模具上预浸带变形超出其允许变形的极限将导致带料发生褶皱或拉伸，发现当预浸带越宽、铺放路径测地曲率幅值越大、模具曲面高斯曲率幅值越大时，预浸带越容易产生铺放褶皱；总结了铺放间隙的产生和演化规律，发现铺放间隙问题的产生主要是由于模具曲面高斯曲率影响下，随着铺放路径的延伸，相邻带料的铺放方向无法保持一致所导致的。另外，基于该演化规律可推断当预浸带较宽、铺放路径较长、模具曲面高斯曲率较大且符号单一时，铺放过程更加容易出现铺放间隙问题；基于微分几何建立了近似测地线的数学模型，利用MATLAB软件对该数学模型进行了仿真分析，发现了测地曲率符号及幅值对近似测地线拓扑结构的影响规律；提出了一种基于近似测地线的多目标、分层次铺放轨迹规划方法，在防止铺放褶皱产生的前提下，保证相邻带料不产生覆盖，且间隙不超过2.5mm。在双曲面模具、自由曲面模具、中航哈飞某型号大型无人机翼面模具上验证了所提出优化策略的有效性。本项目在一定程度上揭示了铺放褶皱的形成机制以及铺放间隙的产生、演化规律，已突破自动铺带轨迹规划的一些关键技术，可为大型复合材料构件自动化制造提供技术支持。