用于复合结构体的编程表面质量的计算机分析的方法技术

公开了用于复合结构体的编程表面质量的计算机分析的方法。一种用于复合层压件的编程表面的质量的计算机分析的方法。基于编程的板层定义和工具表面定义来生成表示编程的顶表面的第一数据集。此后，生成表示在编程的顶表面上的第一网格的点的坐标的第二数据集，其形成第一网格。然后，生成表示在定义的工具表面上的第二网格的点的坐标的第三数据集。然后计算第一网格的每个网格元相对于第二网格的对应网格元的相应角度。将每个角度与可接受角度的阈值进行比较。响应于可接受数量的角度超过可接受角度的阈值，可对丝束放置机进行编程，以使用编程的板层定义来制造复合结构体。以使用编程的板层定义来制造复合结构体。以使用编程的板层定义来制造复合结构体。

【技术实现步骤摘要】
用于复合结构体的编程表面质量的计算机分析的方法


[0001]本公开涉及用于设计和制造复合结构体和部件的方法，并且具体地，涉及复合层压件的表面质量的计算机分析。

技术介绍

[0002]复合结构体和部件被广泛地用于飞机、航空航天以及其中具有高强度重量比的材料是必要的其他应用中。复合结构体可手动地或使用自动化设备渐进地构建具有薄复合带或丝束的多个层(即，预浸渍有热固性树脂材料(诸如环氧树脂)的连续长丝(诸如碳或石墨纤维)的未加捻的束)的结构来制造，所述多个层铺设在另一层上并层压在一起。这些层通常被称为部分或整个板层。对于超过可用材料宽度的大结构或可极大地受益于单向应力路径的设计，每个板层通常由材料的多个带条(在下文中“丝束”)组成，该材料的多个带条彼此相邻地放置或边缘与边缘彼此抵接或者在一定程度上重叠。纤维增强复合层压件通常由具有恒定纤维取向的板层构造。通过落差和添加板层逐个面板改变层压件刚度。
[0003]先进的纤维铺放(也称为“丝束铺放技术”)是用于生产复合层压件的全自动化工艺，其结合了长丝卷绕的差分支出能力和自动化带材铺设的压实和切割重启能力。存在可以沉积不同种类的材料的各种机器：纤维增强的热固性预浸体(预浸渍)材料、纤维增强的热塑性材料、或干纤维。预浸渍有热固性树脂的碳纤维最常用于航空航天工业中，因此本文中所描述的纤维放置工艺(在下文中“丝束放置工艺”)采用热固性材料系统。
[0004]大多数丝束放置系统具有七个运动轴并且是计算机控制的。运动的轴线，即，三个位置轴线、三个旋转轴线和旋转工作心轴的轴线，提供丝束放置机灵活性，以将丝束放置头定位在部件表面上，使得能够生产复杂的复合部件。在丝束放置过程期间，将缝隙预浸带的丝束以平行纤维的带的方式放置在表面上，称为道线(即，每个道线由多个平行丝束组成)。该技术允许纤维弯曲，并且丝束被单独地切割和重新开始，使得可以制造接近其最终形状的部件，从而降低切屑量。丝束放置机的丝束切割和重新开始能力还使得能够改变道线宽度，其可用于消除由几何形状和转向的纤维道线引起的相邻道线之间的间隙或重叠。
[0005]先进的丝束放置增加了制造复合层压件的能力，但它也具有许多限制。例如，丝束切割/重新开始相对于相邻道线的边界或板层边界的精确位置由覆盖参数确定。垂直于纤维方向切割丝束，导致不光滑的道线边界和小的三角形重叠或间隙。
[0006]用于设计、制造和检验复合部件的一个过程缺少用于预测材料的准确放置的稳健方法或工具。当所希望的材料形式是宽带，并且该带通过机器人材料放置装置在原地被切割时，所得到的材料具有未被工程部件定义完全定义的切割位置。通常，这些切割位置中的许多位置彼此紧邻。在制造的部件中，存在许多位置，在许多位置中，这些切割位置非常接近，使得所得层压件具有比工程部件定义中所示的显著更陡的斜坡角度。

技术实现思路

[0007]以下公开的主题旨在一种用于使用宽带材料构造复合部件的方法，该方法导致袋
侧表面比使用现有技术方法可实现的平滑度更平滑。还公开了一种分析方法，其可用于在制造之前预测袋侧(顶部)表面的轮廓。这些构造和分析技术的应用使得能够生产部件，诸如飞机机翼蒙皮，其中，能够更容易地验证复合层压件的表面质量，从而减少部件检验时间。
[0008]本文中公开的构造方法致力于通过将大的实际角度减小为更接近如由工程部件定义限定的标称角度来改善复合层压件，特别是在陡坡(板层落差)区域中。在此提出的工具可以用于：(1)捕获工程和制造部件定义；(2)模拟将由机器人放置设备执行的放置；以及(3)产生所得模拟袋侧(顶部)表面并分析该模拟表面的局部轮廓。
[0009]在部件的检验期间出现的由于制造细节引起的任何问题将可能影响遵循生产顺序的每个部件。修正工程部件定义或制造定义是昂贵且耗时的。在没有分析方法的情况下，没有办法证实任何工程修正改善检验质量。本公开中描述的分析方法预测局部表面轮廓，使得结果可以用于迭代用在部件设计上以及在制造之前和独立于制造而产生的表面质量。
[0010]如在本文中使用的，复合层压件的术语“袋侧表面”和“顶表面”同义地用于意指复合层压件的与工具侧表面相对的表面，该工具侧表面与工具表面接触。例如，假设相对于平坦的工具表面固定的参考坐标系，具有相同X和Y坐标的袋侧和工具侧表面上的成对点在Z方向上分开等于层压件厚度的距离。如果该工具的表面是非平面的，则可以改变X
‑
Y
‑
Z坐标系的取向和位置以符合该工具表面轮廓，例如，通过在每个点处对准垂直于该工具表面的Z轴。如在本文中使用的，术语“设计的顶表面”是指表示由工程部件定义限定的模拟顶表面的数据(在板层边界处不呈现锯齿状的板层边缘)。此外，如本文中使用的，术语“编程的顶表面”是指表示由制造部件定义限定的模拟顶表面的数据(其在板层边界处呈现锯齿状的板层边缘)。
[0011]尽管下面将详细描述用于计算机分析复合结构体的编程表面的质量的方法的各种实施例，但是这些实施例中的一个或多个可以以下方面中的一个或多个为特征。
[0012]以下详细公开的主题的一个方面是一种用于复合结构体的编程表面的质量的计算机分析的方法，该方法包括：(a)基于多个初始编程的板层定义和表示定义的工具表面的工具表面定义来生成表示复合结构体的第一编程的顶表面的第一数据集；(b)生成表示第一编程的顶表面上的多个点的坐标的第二数据集，所述多个点被布置为形成包括多个网格元的第一网格；(c)生成表示在定义的工具表面上的多个点的坐标的第三数据集，所述多个点被布置为形成包括多个网格元的第二网格；(d)计算所述第一网格的每个网格元相对于所述第二网格的对应网格元的相应角度；以及(e)将步骤(d)中计算的每个角度与可接受角度的阈值进行比较。根据一个实施例，该方法还包括控制显示屏显示指示角度超过可接受角度的阈值的符号指示。根据另实施例，该方法还包括：响应于步骤(e)中可接受数量的角度超过可接受角度的阈值，对丝束放置机进行编程，以根据多个初始编程的板层定义来制造复合结构体。
[0013]以下详细公开的主题的另一方面是一种计算机系统，该计算机系统包括处理器和存储可执行代码的非暂时性有形计算机可读存储介质，该可执行代码被配置为使得处理器能够执行数据处理操作，该数据处理操作执行在前一段落中描述的方法的步骤(a)至(e)。
[0014]以下详细公开的主题的另一方面是一种用于复合结构的编程表面的质量的计算机分析的方法，该方法包括：(a)获得表示定义的工具表面的数据；(b)从工程源获得针对复
合结构的设计的几何板层定义，每个板层定义包括纤维取向数据和板层边缘数据；(c)使用设计的几何板层定义来生成包含每个板层的每个丝束的中心线数据和形状定义的工具路径定义；(d)使用工具路径定义和形状定义生成针对每个板层的多个初始编程的板层定义；(e)基于多个初始编程的板层定义和工具表面的定义生成表示复合结构体的第一编程的顶表面的第一数据集；(f)生成第二数据集，所述第二数据集表示所述第一编程的顶表面上的多个点的坐标，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复合结构体的编程表面的质量的计算机分析的方法(100)，所述方法包括以下步骤：(a)基于多个初始编程的板层定义和表示定义的工具表面的工具表面定义，生成表示所述复合结构体的第一编程的顶表面的第一数据集(110)；(b)生成表示所述第一编程的顶表面上的多个点(42)的坐标的第二数据集(112)，所述多个点被布置为形成包括多个网格元(44)的第一网格(50)；(c)生成表示在所述定义的工具表面上的多个点的坐标的第三数据集(114)，在所述定义的工具表面上的所述多个点被布置为形成包括多个网格元的第二网格；(d)计算所述第一网格的每个网格元相对于所述第二网格的对应网格元的相应角度(116)；以及(e)将步骤(d)中计算的每个角度与可接受角度的阈值进行比较(118)。2.如权利要求1所述的方法，进一步包括控制显示屏显示指示角度超过所述可接受角度的阈值的符号(120)。3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括响应于步骤(e)中可接受数量的角度超过所述可接受角度的阈值，对丝束放置机进行编程，以根据所述多个初始编程的板层定义制造复合结构体(136)。4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一网格的每个网格元是具有三个边的三角形网格元，除了沿着所述第一网格的边界之外，所述三个边中的每个边由各自的相邻三角形网格元共享。5.如权利要求4所述的方法，其中，步骤(d)包括：计算与所述第一网格的所述三角形网格元的第一边和第二边相对应的第一向量和第二向量(152)；计算垂直于所述第一向量和所述第二向量的第三向量(154)；计算垂直于所述定义的工具表面的第四向量(158)；以及计算所述第三向量与所述第四向量之间的角度(160)。6.如权利要求5所述的方法，进一步包括将所述第三向量与所述第四向量之间的所述角度转换成斜坡坡率(162)。7.如权利要求5或6所述的方法，其中，所述第二网格的每个网格元是具有三个边的三角形网格元，除了沿着所述第二网格的边界之外，所述第二网格的三角形网格元的所述三个边中的每个边由各自的相邻的三角形网格元共享，并且步骤(d)进一步包括计算对应于所述第二网格的所述三角形网格元的第一边和第二边的第五向量和第六向量(156)，其中所述第四向量与所述第五向量和所述第六向量正交。8.如权利要求1、2、5或6中任一项所述的方法，进一步包括：(f)响应于角度超过所述可接受角度的阈值，生成多个修正的编程的板层定义(124)；(g)基于所述多个修正的编程的板层定义和所述工具表面定义生成表示所述复合结构体的第二编程的顶表面的第四数据集(126)；(h)生成表示所述第二编程的顶表面上的多个点的坐标的第五数据集(128)，所述第二编程的顶表面上的所述多个点被布置为形成包括多个网格元的第三网格；(i)计算所述第三网格的每个网格元相对于所述定义的工具表面的相应角度(130)；以
及(j)比较在步骤(i)中计算的每个角度与所述可接受角度的阈值(132)。9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：响应于步骤(j)中可接受数量的角度超过所述可接受角度的阈值，对丝束放置机进行编程以根据所述多个修正的编程的板层定义来制造所述复合结构体(136)。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述丝束放置机被编程为制造板层落差区域(24)中的过度填充和欠填充被布置为最...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：