自由曲面自动铺丝路径规划理论与方法的研究

自动铺丝是航空航天领域，特别是大飞机制造，急需的一种复合材料自动化成型工艺。而自动铺丝复合材料的数字化设计技术是该成型工艺的关键和难点，本课题拟针对自由曲面的自动铺丝成型，提出自由曲面自动铺丝路径的生成理论与方法。首先，根据铺放构件实际工况时的受力情况，采用复合材料力学和有限元方法，研究可实现最佳材料性能的基准路径或初始路径方向。以确定的基准路径方向为基础，基于离散曲面和微分几何思想，探索自由曲面上变角度铺放路径生成理论与方法。然后，以均匀铺满自由曲面为目标，研究铺丝路径偏置方法和基准路径进化策略，建立丝束重叠的数学模型，探求合理的裁剪策略和丝束中纤维丝数目的计算方法。最后，为了对丝束路径的可行性进行分析与评价，通过对丝束褶皱与曲面高斯曲率、铺丝路径、丝束宽度关系的研究，建立丝束褶皱的数学模型。本课题的研究成果将促进自动铺丝工艺在我国航空航天业的应用，具有重要的理论意义和实用价值。

自动铺丝是航空航天领域，特别是大飞机制造，急需的一种复合材料自动化成型工艺。而自动铺丝复合材料的数字化设计技术是该成型工艺的关键和难点，本课题围绕自由曲面自动铺丝路径的生成理论、方法及工艺展开研究，取得了如下成果：（1）提出了一种基于网格化的丝束轨迹规划方法，将无法用数学解析方程描述的复杂形状，用网格来近似表达，将复杂的、连续铺放轨迹的计算分解到网格单元中逐段求取，方法简洁，易于程序实现；（2）引入纤维重叠面积与间隙面积比例系数，提出了纤维重叠面积、纤维间隙面积与轨迹点丝束数量的计算方法，为理论分析零件重量、纤维用量、纤维覆盖率等信息提供了支撑；（3）针对锥壳、非可展回转外壳和变截面接头零件，提出了一种间隙与重叠最小化的变角度轨迹规划算法，该算法从原理上最大限度的规避了铺放过程中的剪切与重送，提高了铺放加工效率和质量、降低了废料率；（4）建立了一种融入压辊旋转自由度，以铺放头悬臂最短为优化目标的铺放设备手臂运动学模型，该模型更加符合实际铺放情况，更为精确；（5）以铺放设备工艺范围、速度加速度限制、纤维褶皱等为约束条件，提出了判断纤维铺放路径可行性的评价指标；（6）针对热塑性复合材料铺放，基于传热学和结晶动力学理论，得出了铺放过程中预加热区、空气冷却区Ⅰ、主加热区、空气冷却区Ⅱ和特殊冷却区五个环节铺放参数的确定方法。本课题的研究成果将促进自动铺丝工艺在我国航空航天业的应用，具有重要的理论意义和实用价值。