连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法和装置制造方法及图纸

本申请公开了一种连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法和装置，属于填充路径规划领域。包括将待填充区域划分；选择多个顶点为控制点；建立函数d

【技术实现步骤摘要】
连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法和装置


[0001]本申请涉及填充路径规划
，尤其涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法和装置。

技术介绍

[0002]相比于常规金属材料体系，以碳纤维等长纤维材料作为增强基、树脂作为基体的连续纤维增强复合材料，具有比模量高、耐腐蚀性强、抗疲劳性好等优异性能，已在航空航天、汽车、军工等制造业领域得到了广泛应用。
[0003]实际中，将3D打印技术应用到连续纤维复合材料构件的成型，可解放传统热压成型的工艺约束，降低零件制造成本，极大地拓展了连续纤维复合材料应用的范围和深度。而合理的打印路径规划方法是实现复杂构件3D打印成型的关键。
[0004]在使用连续纤维复合材料进行打印时，采用现有的打印路径规划方法，由于连续纤维复合材料中长纤维增强基的加入，很难保持其打印路径的连续性，从而导致打印时可能频繁剪断长纤维造成效率降低和打印缺陷。此外，由于连续纤维有各向异性的特征，在使用连续纤维复合材料进行打印时，还需要同时考虑通过优化打印路径排布特征来提升连续纤维复合材料构件的承载性能。但是，现有的路径规划方法均没有同时考虑路径连续性和结构承载性，无法适用于连续纤维增强复合材料构件的打印。

技术实现思路

[0005]本申请实施例通过提供一种连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法和装置，能够解决现有的路径规划方法均没有同时考虑路径连续性和结构承载性，无法适用于连续纤维增强复合材料构件的打印。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法，包括：
[0007]将待填充区域划分为有多个多边形单元的多边形面片网格；
[0008]随机选择所述多边形面片网格中的多个顶点作为控制点；
[0009]建立所述控制点处纤维方向角g＝(θ1，θ2，
…
θ
m
，
…
，θ
n
)和所述待填充区域受载荷f后的总位移d
t
之间的函数关系d
t
＝P(g)，以g为优化变量，d
t
为优化目标建立优化模型：
[0010]求解所述优化模型，获得使d
t
最小的g及其对应的分布在所述多边形面片网格的最优纤维方向场G；
[0011]生成与所述最优纤维方向场G正交的正交向量场H；
[0012]利用所述正交向量场H获得单调增的标量场Φ；
[0013]根据所述标量场Φ的最小值Φ
min
进行插值拟和得到等值线；
[0014]将所述待填充区域的每个边界轮廓线向所述待填充区域内部偏移预设距离，获得
每个所述边界轮廓线的偏移轮廓线；
[0015]删除不与所述偏移轮廓线相交的等值线、所述偏移轮廓线与所述边界轮廓线之间的等值线段；
[0016]沿着任意一条所述偏移轮廓线的方向，依次对所述等值线与该所述偏移轮廓线的交点进行编号为P1、P2、P3、
…
P
2k
‑1、P
2k
、
…
P
2n
，再在对应的所述边界轮廓线上找到一个离由P
2k
‑1和P
2k
两点形成的线段P
2k
‑1P
2k
距离最近的点Q
k
，并连接P
2k
‑1Q
k
和P
2k
Q
k
，其中，n、k为正整数，以形成填充图形；
[0017]根据所述填充图形获取连续填充路径。
[0018]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述建立所述控制点处纤维方向角g＝(θ1，θ2，
…
θ
m
，
…
，θ
n
)和所述待填充区域受载荷f后的总位移d
t
之间的函数关系d
t
＝P(g)，包括：
[0019]将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1，θ2，
…
θ
m
，
…
，θ
n
)平均到整个填充区域，获得分布在所述多边形面片网格的每个顶点的纤维方向场G；
[0020]建立连续纤维复合材料的微观结构单胞，并利用均匀化理论获得所述微观结构单胞的刚度矩阵K
c
；
[0021]获得每个所述多边形单元的刚度矩阵K
e
，其中，K
e
＝R(θ
m
)
T
K
c
R(θ
m
)，R(θ
m
)为旋转函数；θ
m
为当前计算的所述多边形单元的纤维方向角，为所述多边形单元各个顶点的纤维方向角的平均值；
[0022]将所有单元的刚度矩阵K
e
叠加获得所述多边形面片网格的总刚度矩阵K；
[0023]通过静力平衡方程Kd＝f获得所述待填充区域受载荷f后的位移向量d，将位移向量d每一项的绝对值求和即为总位移d
t
。
[0024]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1，θ2，
…
θ
m
，
…
，θ
n
)平均到整个填充区域，获得分布在所述多边形面片网格的每个顶点的纤维方向场G，包括：
[0025]将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1，θ2，
…
θ
m
，
…
，θ
n
)作为Dirichlet边界条件，在所述多边形面片网格上求解拉普拉斯方程ΔG＝0，以将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1，θ2，
…
θ
m
，
…
，θ
n
)平均到整个填充区域，获得分布在所述多边形面片网格的每个顶点的纤维方向场G。
[0026]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述求解所述优化模型，获得使d
t
最小的g及其对应的分布在所述多边形面片网格的最优纤维方向场G，包括：
[0027]利用遗传算法求解所述优化模型，获得使d
t
最小的g及其对应的分布在所述多边形面片网格的最优纤维方向场G。
[0028]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述生成与所述最优纤维方向场G正交的正交向量场H，包括：
[0029]通过将所述最优纤维方向场G中的每个顶点处的方向向量绕所述待填充区域的法向量旋转90
°
来生成与所述最优纤维方向场G正交的正交向量场H。
[0030]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述利用所述正交向量场H获得单调增的标量场Φ，包括：
[0031]根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法，其特征在于，包括：将待填充区域划分为有多个多边形单元的多边形面片网格；随机选择所述多边形面片网格中的多个顶点作为控制点；建立所述控制点处纤维方向角g＝(θ1,θ2,
…
θ
m
,
…
,θ
n
)和所述待填充区域受载荷f后的总位移d
t
之间的函数关系d
t
＝P(g)，以g为优化变量，d
t
为优化目标建立优化模型：求解所述优化模型，获得使d
t
最小的g及其对应的分布在所述多边形面片网格的最优纤维方向场G；生成与所述最优纤维方向场G正交的正交向量场H；利用所述正交向量场H获得单调增的标量场Φ；根据所述标量场Φ的最小值Φ
min
进行插值拟和得到等值线；将所述待填充区域的每个边界轮廓线向所述待填充区域内部偏移预设距离，获得每个所述边界轮廓线的偏移轮廓线；删除不与所述偏移轮廓线相交的等值线、所述偏移轮廓线与所述边界轮廓线之间的等值线段；沿着任意一条所述偏移轮廓线的方向，依次对所述等值线与该所述偏移轮廓线的交点进行编号为P1、P2、P3、
…
P
2k
‑1、P
2k
、
…
P
2n
，再在对应的所述边界轮廓线上找到一个离由P
2k
‑1和P
2k
两点形成的线段P
2k
‑1P
2k
距离最近的点Q
k
，并连接P
2k
‑1Q
k
和P
2k
Q
k
，其中，n、k为正整数，以形成填充图形；根据所述填充图形获取连续填充路径。2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法，其特征在于，所述建立所述控制点处纤维方向角g＝(θ1,θ2,
…
θ
m
,
…
,θ
n
)和所述待填充区域受载荷f后的总位移d
t
之间的函数关系d
t
＝P(g)，包括：将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1,θ2,
…
θ
m
,
…
,θ
n
)平均到整个填充区域，获得分布在所述多边形面片网格的每个顶点的纤维方向场G；建立连续纤维复合材料的微观结构单胞，并利用均匀化理论获得所述微观结构单胞的刚度矩阵K
c
；获得每个所述多边形单元的刚度矩阵K
e
，其中，K
e
＝R(θ
m
)
T
K
c
R(θ
m
)，R(θ
m
)为旋转函数；θ
m
为当前计算的所述多边形单元的纤维方向角，为所述多边形单元各个顶点的纤维方向角的平均值；将所有单元的刚度矩阵K
e
叠加获得所述多边形面片网格的总刚度矩阵K；通过静力平衡方程Kd＝f获得所述待填充区域受载荷f后的位移向量d，将位移向量d每一项的绝对值求和即为总位移d
t
。3.根据权利要求2所述的连续纤维增强复合材料3D打印填充路径规划方法，其特征在于，所述将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1,θ2,
…
θ
m
,
…
,θ
n
)平均到整个填充区域，获得分布在所述多边形面片网格的每个顶点的纤维方向场G，包括：将所述控制点处纤维方向角g＝(θ1,θ2,
…
θ
m
,
…
,θ
n
)作为Dirichlet边界条件，在所述多
边形面片网格上求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚敏，朱继宏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：