一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法与系统，涉及自动化加工技术领域，包括步骤：据缠绕模式将芯模表面离散为由若干网格组成的多个三角面片；在位于螺旋缠绕区时，根据同步缠绕的纱束条数和纱束宽度，基于当前路径点所处截面周长获取动态缠绕角度，根据动态缠绕角度获取当前路径点在该角度方向上，与当前路径点所处三角面片的边线交点为下一路径；在位于回转区时，通过延长上一路径点与当前路径点的连线，并提取延长线与当前路径点所处三角面片的边线交点为测地路径点，根据测地路径点在目标滑移系数约束下获取在相同边线上的准测地路径点为下一路径点。本发明专利技术无需依赖于芯模参数方程即可进行缠绕路径的设计。径的设计。径的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法与系统


[0001]本专利技术涉及自动化加工
，具体涉及一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法与系统。

技术介绍

[0002]纤维缠绕技术是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段之一。相比于其他复合材料成型技术，纤维缠绕技术可按照制品的结构特征和实际工况设计缠绕路径，充分发挥纤维高强高模的特点。同时，缠绕成型具有纤维分布整齐，缺陷少等优点，被广泛地应用于航空航天及民用工业中，如火箭发动机壳体、压力容器、体育运动器材等。
[0003]缠绕路径规划是对缠绕机在缠绕过程中落纱点的轨迹生成进行设计。不合理的缠绕路径规划会导致缠绕过程中制件出现缺陷，比如过大的滑移系数导致纱线在缠绕过程出现滑纱现象，缠绕角度的不合理会导致间隙的产生，降低制品的力学性能。因此，合理的缠绕路径规划以确保缠绕构件制品力学性能的同时使纱束按照既定落纱轨迹平稳覆盖芯模表面是当前纤维缠绕技术亟需解决的重要课题。然而现有技术中的路径规划方法，主要依靠参数方程进行路径规划，在遇到复杂芯模的时候，参数方程往往无法解析，因此限制了复杂结构构件缠绕技术的发展。

技术实现思路

[0004]为了是缠绕路径的设计能够不受芯模复杂程度的影响，本专利技术提出了一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法，其将芯模顺序划分为第一回转区、螺旋缠绕区和第二回转区，具体包括步骤：
[0005]S1：根据缠绕模式将芯模表面离散为由若干网格组成的多个三角面片；
[0006]S2：判断当前位于三角面片边线上的路径点是否进入回转区，若是，进入S31步骤，若否，进入S41步骤；
[0007]S31：通过延长上一路径点与当前路径点的连线，并提取延长线与当前路径点所处三角面片的边线交点为测地路径点；
[0008]S32：根据测地路径点在目标滑移系数约束下获取在相同边线上的准测地路径点为下一路径点并返回S2步骤；
[0009]S41：根据同步缠绕的纱束条数和纱束宽度，基于当前路径点所处截面周长获取动态缠绕角度；
[0010]S42：根据动态缠绕角度获取当前路径点在该角度方向上，与当前路径点所处三角面片的边线交点为下一路径点并返回S2步骤。
[0011]进一步地，所述S32步骤中，准测地路径点通过如下公式获取：
[0012][0013]式中，ds为当前路径点与测地路径点之间在三角面片上的距离，dT为当前路径点与测地路径点在芯模上所对应缠绕路径的切向量的微分，N为当前路径点在芯模上的外法线向量，B为根据切向量和外法线向量获得的副法向量，k
n
为法曲率，k
g
为测地曲率，λ＝k
g
/k
n
为目标滑移系数。
[0014]进一步地，所述S41步骤中，动态缠绕角度通过如下公式获取：
[0015][0016]式中，α为动态缠绕角度，M为同步缠绕的纱束条数，w为纱束宽度，L为当前路径点所处截面周长。
[0017]进一步地，当纱束从螺旋缠绕区进入任意回转区时，纱束在目标滑移系数约束下，缠绕旋向逐步反转并再次进入螺旋缠绕区。
[0018]进一步地，所述S42步骤在返回S2步骤前，还包括步骤：
[0019]S43：获取边线交点处的滑移系数，并判断其是否大于摩擦系数阈值，若是，调整动态缠绕角度并返回S42步骤，若否，则返回S2步骤。
[0020]进一步地，所述S41步骤中，纱束条数根据实际缠绕需求由缠绕模式求取获得。
[0021]本专利技术还提出了一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计系统，其将芯模顺序划分为第一回转区、螺旋缠绕区和第二回转区，具体包括：
[0022]芯模离散模块，用于根据缠绕模式将芯模表面离散为由若干网格组成的多个三角面片；
[0023]路径跟随单元，用于判定当前位于三角面片上的路径点所处的区块；
[0024]测地点获取单元，用于在路径点处于回转区时，通过延长上一路径点与当前路径点的连线，并提取延长线与当前路径点所处三角面片的边线交点为测地路径点，
[0025]回转区路径设计单元，用于根据测地路径点在目标滑移系数约束下获取在相同边线上的准测地路径点为下一路径点；
[0026]缠绕角度更新单元，用于在路径点处于缠绕区时，根据同步缠绕的纱束条数和纱束宽度，基于当前路径点所处截面周长获取动态缠绕角度；
[0027]缠绕区路径设计单元，用于根据动态缠绕角度获取当前路径点在该角度方向上，与当前路径点所处三角面片的边线交点为下一路径点。
[0028]进一步地，所述回转区路径设计单元中，准测地路径点通过如下公式获取：
[0029][0030]式中，ds为当前路径点与测地路径点之间在三角面片上的距离，dT为当前路径点与测地路径点在芯模上所对应缠绕路径的切向量的微分，N为当前路径点在芯模上的外法线向量，B为根据切向量和外法线向量获得的副法向量，k
n
为法曲率，k
g
为测地曲率，λ＝k
g
/k
n
为目标滑移系数。
[0031]进一步地，所述缠绕角度更新单元中，动态缠绕角度通过如下公式获取：
[0032][0033]式中，α为动态缠绕角度，M为同步缠绕的纱束条数，w为纱束宽度，L为当前路径点
所处截面周长。
[0034]进一步地，所述缠绕区路径设计单元中，还包括：
[0035]滑移判定单元，用于获取边线交点处的滑移系数，并在其大于摩擦系数阈值时调整动态缠绕角度。
[0036]与现有技术相比，本专利技术至少含有以下有益效果：
[0037](1)本专利技术所述的一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法与系统，通过将芯模离散为三角面片的方式，无需依赖于芯模参数方程，即可进行缠绕路径的设计，能够完美适用于复杂芯模的缠绕路径设计；
[0038](2)根据当前截面周长动态更新缠绕角度，从而能够根据截面处周长变化程度动态调整缠绕角度，使在实际缠绕过程中，能够跟随工件外表面形态的变化适应性调整缠绕角度，避免重叠和间隙的产生；
[0039](3)通过测地路径和准测地路径的计算，进行目标滑移系数约束下的旋向转换，从而在不依赖于芯模参数的情况下，实现纱束旋向的反转以及往复缠绕的实现。
附图说明
[0040]图1为一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法的步骤图；
[0041]图2为一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计系统的结构图；
[0042]图3为纱束的缠绕示意图；
[0043]图4为气瓶路径的切点示意图；
[0044]图5为螺旋缠绕区路径点获取示意图；
[0045]图6为回转区路径点获取示意图。
[0046]附图标记说明：1
‑
第一回转区的缠绕路径、2
‑
位于螺旋缠绕区的正螺旋缠绕路径、3
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法，其特征在于，将芯模顺序划分为第一回转区、螺旋缠绕区和第二回转区，具体包括步骤：S1：根据缠绕模式将芯模表面离散为由若干网格组成的多个三角面片；S2：判断当前位于三角面片边线上的路径点是否进入回转区，若是，进入S31步骤，若否，进入S41步骤；S31：通过延长上一路径点与当前路径点的连线，并提取延长线与当前路径点所处三角面片的边线交点为测地路径点；S32：根据测地路径点在目标滑移系数约束下获取在相同边线上的准测地路径点为下一路径点并返回S2步骤；S41：根据同步缠绕的纱束条数和纱束宽度，基于当前路径点所处截面周长获取动态缠绕角度；S42：根据动态缠绕角度获取当前路径点在该角度方向上，与当前路径点所处三角面片的边线交点为下一路径点并返回S2步骤。2.如权利要求1所述的一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法，其特征在于，所述S32步骤中，准测地路径点通过如下公式获取：式中，ds为当前路径点与测地路径点之间在三角面片上的距离，dT为当前路径点与测地路径点在芯模上所对应缠绕路径的切向量的微分，N为当前路径点在芯模上的外法线向量，B为根据切向量和外法线向量获得的副法向量，k
n
为法曲率，k
g
为测地曲率，λ＝k
g
/k
n
为目标滑移系数。3.如权利要求1所述的一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法，其特征在于，所述S41步骤中，动态缠绕角度通过如下公式获取：式中，α为动态缠绕角度，M为同步缠绕的纱束条数，w为纱束宽度,L为当前路径点所处截面周长。4.如权利要求1所述的一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法，其特征在于，当纱束从螺旋缠绕区进入任意回转区时，纱束在目标滑移系数约束下,缠绕旋向逐步反转并再次进入螺旋缠绕区。5.如权利要求1所述的一种基于网格进行缠绕角度优化的路径设计方法，其特征在于，所述S42步骤在返回S2步骤前，还包括步骤：S43：获取边线交点处的滑移系数，并判断其是否大于摩擦系数阈值，若是，调整动态缠绕角度并返回S42步骤，若否，则返回S2步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，徐剑，唐建波，严威，赵刚，冯亚杰，
申请(专利权)人：宁波杭州湾新材料研究院，
类型：发明
国别省市：