CN102308298A - 用于复合材料的弯曲部件的先进设计的计算机辅助方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于复合材料的折叠部件的先进设计的计算机辅助方法，使用计算机支持的CAD系统，其包括以下步骤：a)提供部件的二维结构模型(11)；b)生成部件的三维外表面(19)；c)获得的三维结构模型(51)，通过相对于折线(23)折叠二维模型(11)的图案的轮廓线(17)，适配二维结构模型(11)到三维外表面(19)的几何形状，所述折线(23)关于类似于设置用于折叠部件的工具的折叠表面生成；和d)生成折叠部件的实体模型(53)。本发明还涉及当在计算机上与CAD系统一起执行时实现该方法的一种计算机程序。

Description

用于复合材料的弯曲部件的先进设计的计算机辅助方法

技术领域

本发明涉及一种用于复合材料的弯曲部件的先进设计的计算机辅助方法，更具体地，涉及可以用于使用CAD系统从二维网格模型获得弯曲部件的实体模型的方法。

背景技术

在一些工程领域中，十分倾向于增加由复合材料制成的部件的数量，例如，在航空领域中：机翼表面护板、盖板和机身的部分是可以使用复合材料制造的部件。

这些部件的制造过程基本上包括带状铺叠(tape-laying)步骤和成形和固化步骤，在带状铺叠步骤中，将能够存储的纤维增强材料和聚合物基体的混合物的诸如预浸坯料的复合材料层放置在适当成形的模具/工具中。

复合材料可以具有不同的形式，并且具体地具有网格的形式。复合材料网格不是随意放置而是按编号布置在每个区域中，复合材料网格的纤维增强材料(典型地是碳纤维)的布置根据部件在每个区域中将要承受的作用力的性质和大小来确定。不同区域之间的厚度差异造成网格衰减，其需要在网格模型中设立和表现。

这种部件的设计通过复杂过程执行，包括计算步骤、网格模型设计及其产能分析步骤，具有当在任何这些步骤中发生变化时的反馈环。

计算专家工程师使用计算机程序计算在给定负载下的部件的行为并且设计工程师使用用于生成网格模型的CAD系统，即基于由计算结果提供的层压体的技术规格，确定层压体的部件网格的轮廓和位置。

虽然具有CAD系统的功能性，在CAD系统中生成上述网格模型的过程也是一个繁琐的程序，涉及大量重复的手工工作，因此存在失误的风险，特别是在弯曲部件的情况下，其中使用当前工具，部件的实体模型从二维网格模型(对应于平面层压体，其必须通过成形和固化过程制造以获取最后部件)通过一个过程来获取，在所述过程中，基准线要在边缘表面上弯曲，考虑坪区和弯曲半径之间的全部接头，在中心和边缘中的不同厚度的区域或坪区必须要手动地分配，这个过程是乏味的、漫长的和重复的。

使用现行可用的CAD系统从在制造所述部件的第一步骤中获得的平面层压体的二维网格模型自动或半自动地获取复合材料的弯曲部件的实体模型是不可能的，这是阻碍这种部件的设计过程的一个缺点。

本发明目的在于解决这个缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于从二维网格模型获得复合材料的弯曲部件的实体模型的方法。

本发明的另一个目的是提供一种方法，用于从简单部件的二维网格模型获得由几个简单部件组装而成的复杂部件的实体模型，以检查在组装体中满足堆叠规则。

本发明的另一个目的是为了用软件补充在复合材料部件的设计中使用的CAD系统，以从二维网格模型自动地或半自动地获取复合材料的弯曲部件的实体模型。

在第一个方面中，实现这些和其他目的的使用计算机辅助CAD系统设计复合材料的弯曲部件的方法包括以下步骤：

-提供部件的二维网格模型。

-生成部件的三维外表面。

-通过适配二维网格模型到三维外表面的几何形状来获得三维网格模型。

-生成弯曲部件的实体模型。

在优选的实施方式中，该方法应用于航空结构的简单部件，诸如具有C形截面的桅杆。

在另一个优选的实施方式中，这种方法应用到由几个简单的部件组装产生的复杂的部件。

在第二方面中，通过软件实现上述目的，当软件在计算机上与CAD系统一起执行或者包括在CAD系统中时，能够自动或半自动执行上述方法的各个步骤。

本发明的其它特征和优点将从实施例的具体说明、对象示例和附图中变得明显。

附图说明

图1显示弯曲部件由其形成的平面层压体的二维网格模型。

图2示意地显示图案轮廓线关于弯曲线的弯曲。

图3示意地显示在阳模上形成弯曲部件的过程。

图4示意地显示在阴模上形成弯曲部件的过程。

图5示意地显示在二维网格模型中不同厚度的区域和弯曲线，图案轮廓线关于该弯曲线弯曲。

图6示意性显示位于不同厚度的两个区域之间的斜面上的三个轮廓线的弯曲。

图7显示弯曲表面旁边的二维网格模型。

图8描绘从二维网格模型到三维网格模型的转换。

图9描绘从三维网格模型到实体模型的转换。

图10显示可以应用形成本发明的主题的方法的由几个简单部件组装成的复杂的部件。

具体实施方式

为了正确理解本发明，对在这个说明的论述中使用的一些术语的含义进行说明。

弯曲部件：通过如下过程制造的复合材料部件，该过程包括：带状铺叠的第一步骤和成形和固化的第二步骤，在第一步骤中，获得(平面或曲面)的层压体，在第二步骤中，所述层压体被“弯曲”以获得所需的形状。可以引用尾翼抗扭箱的C形桅杆作为在航空工业中使用的弯曲部件的例子。

网格或图案：用于形成层压体的分层材料由其轮廓和其在层压体中的位置限定，还由诸如纤维增强材料的排列的一些物理特性限定。

二维网格模型：必须被堆叠以形成平面层压体的网格在CAD系统中的二维表示。二维网格模型的一个目的在于提供用于制造所述平面层压体的每个网格的信息。

三维网格模型：处于最终状态的部件的网格模型在CAD系统中的三维表示。三维网格的模型的基本目的之一是优化其最终状态的显示。

实体模型：在诸如CATIA的CAD系统中的弯曲部件的表示，显示其几何和相关物理性质两者。三维网格模型的基本目的之一是提供用于优化部件的设计所需要的信息。

现在将关于C形弯曲部件描述形成本发明的主题的方法的优选实施例，所述方法包括以下几个步骤，全部在CAD系统中执行：

a)获得部件的二维网格模型。

b)生成部件的三维外表面。

c)生成部件的三维网格模型。

d)生成弯曲部件的实体模型。

在下面详细描述这些步骤。

a)获得部件的二维网格模型

基于由基本几何形状提供的参数和由计算给定的有限元数据，使用在CAD系统中可用的工具以已知的方式获得二维网格模型。

基本几何形状数据指的是图案几何形状的支撑面和包括在设计过程中的结构要素(表面，位面和曲线)。

计算数据被分配给模型并且在设计过程之后图案将作为结果得到。

图1显示在对应于平面层压体的这个步骤中获得的二维网格模型11，因为在正在考虑的情况下，图案的几何形状的支撑表面是平面实体，因为其是在平面工具上用ATL带状铺叠技术生成的。正如我们已经说过的，这个平面层压体必须被“弯曲”以在成形和固化步骤中获得最终部件。

因此，二维网格模型11显示一组平面图案13，其中一些将必须在弯曲部件的制造的第二步骤中弯曲。

一旦二维网格模型11已经被限定，必须关于我们将称为弯曲线23的线弯曲的图案轮廓线17被识别，如示意地显示在图2中的那样。

b)生成部件的三维外表面

为了上述目的，考虑部件的制造方法，使用可用的几何数据构造三维网格模型将被支持在其上的部件的三维外表面。

如果使用如在图3描绘的阳模33，图案13将在几何凸面之上弯曲。在这种情况下，将产生的表面的弯曲半径，即，部件中的中心和边缘之间的半径，将取决于在工具上使用的初始半径加上在层压体中获得的区域的总厚度。这将导致这个表面在具有不同厚度的层压体的整个区域具有可变的半径。黑带19表示将被建模的表面。箭头35指示产生实体的内表面时厚度增加的位置。

如果使用图4中描述的阴模37，图案13将在几何凹面上弯曲。在这种情况下，将产生的表面的弯曲半径，即，在部件中的中心和边缘之间的半径，将是恒定的。黑带19表示将被建模的表面。箭头37指示产生实体的内表面时厚度增加的位置。

在将被弯曲的线之间，存在层压体的厚度可能不同的区域。在利用阳模工作的情况下，有必要确定所述厚度，以用相应变化的半径来建模表面。计算出的厚度将被添加到由工具确定的最小半径。

c)生成部件的三维网格模型

一旦已经获得三维表面19，由相应弯曲线23预先识别的轮廓线被弯曲。

如图5、6和7所示，弯曲线23由二维网格模型11确定，并且弯曲表面31的形状类似于部件成形工具的形状。图5显示具有不同厚度的区域3、5、......7，并且为更好地说明，指出确定区域3和区域5之间斜面9的三个轮廓线17’、17”、17”’。

这些轮廓线17’、17”、17”’必须被如在图6中示意地那样弯曲，并且如我们已经预先指出的那样，可能发生的是，线17’和17”’的半径41、45是不同。

弯曲每个轮廓线17的过程包括以下步骤：

将被弯曲的轮廓线17与弯曲线23产生交叉点，作为结果给出一个点。

通过这一点划出到弯曲线23的切线。

将被弯曲的轮廓线17通过预先计算的交叉点切割。切割的结果是线的一部分将转动，并停止在三维表面19上。

将切线作为旋转轴并且将预先切割的将被弯曲的曲线部分作为形状产生旋转面。

所述旋转面与三维表面19交叉。结果将是弯曲的轮廓线17停止在三维表面19上。

最后，网格模型轮廓适配弯曲几何形状。

如图8所示，这个步骤的结果是三维网格模型51。

d)生成弯曲部件的实体模型

基于三维网格模型51并且如图9所示，使用已知的CAD工具获得实体模型53。

在我们描述的优选的实施方式中，已经使用形成本发明主题的方法，用于产生如航空结构的桅杆的C形简单部件的模型，但是本领域的技术人员将十分明白，这种方法适用于使用平面带状铺叠并且随后在成形步骤中弯曲以取得理想的最终形状的任何平面设计的复合材料部件。

该方法也适用于诸如在图10中显示的由4个C-形部件和两个平面部件组装而成的复杂部件。在这种情况下，步骤a)，b)和c)应用于每一个简单部件，在步骤e)中各部件的三维网格模型被“组装”，并且在步骤f)中，获得复杂部件的实体模型。这个实体模型便于组装部件的分析，考虑到对于一组简单部件作为一个整体并且不仅仅对于它们的单独的每个，必须符合堆叠规则，使得它们的设计更快和更强大。

该方法可以通过软件实现，附加于使用的CAD工具(如CATIA)，其包括用于该方法的这些步骤的自动化的不被所使用的CAD工具所涵盖的具体代码，并且在需要它的这些步骤中提供与CAD工具的接口。

包括在权利要求的范围内的那些修改可以被引入改进的优选实施方式。

Claims (8)

1.一种设计复合材料的弯曲部件的方法，使用计算机辅助CAD系统，其特征在于，所述方法包括以下几个步骤：

a)提供部件的二维网格模型(11)；

b)产生部件的三维外表面(19)；

c)通过适配二维网格模型(11)到三维外表面(19)的几何形状，获得三维网格模型(51)；

d)生成弯曲部件的实体模型(53)。

2.根据权利要求1所述的设计复合材料的弯曲部件的方法，其特征在于，在步骤c)中提到的适配通过相对于一些弯曲线(23)弯曲二维模型(11)的图案的(13)的轮廓线(17)而发生，所述弯曲线(23)关于弯曲表面(31)建立，所述弯曲表面(31)的形状与为部件制造过程的成形步骤提供的工具的形状类似。

3.根据权利要求1-2任一项所述的设计复合材料的弯曲部件的方法，其特征在于，如果所述工具是阳模(33)，三维外表面(19)对应于与部件的外层相邻的假想表面。

4.根据权利要求1-2任一项所述的设计复合材料的弯曲部件的方法，其特征在于，如果所述工具是阴模(37)，三维外表面(19)对应于与阴模(37)相邻的假想表面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的设计复合材料的弯曲部件的方法，其特征在于，所述弯曲部件是航空结构的简单部件。

6.根据权利要求5所述的设计复合材料的弯曲部件的方法，其特征在于，所述简单部件是C形桅杆。

7.根据权利要求1-4任一项所述的设计复合材料的弯曲部件的方法，其特征在于，所述弯曲部件是由两个或更多个简单部件组装的复杂部件，并且所述方法包括对每个简单部件应用步骤a)、b)和c)，以及组装每个部件的三维网格模型的步骤e)，以及获得所述复杂部件的实体模型的步骤f)。

8.一种存储程序指令的数据媒体，其特征在于，当所述程序指令在计算机上与CAD系统一起执行或者包含在CAD系统中时，引起形成权利要求1-7任一项的主题的所述方法的执行。

Images