專利名稱：用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面的復(fù)合材料部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面的復(fù)合材料部件的方法，并且更具體地，用于設(shè)計(jì)要將增強(qiáng)元件如橫向構(gòu)架和縱向縱梁連接于其上的具有彎曲表面的復(fù)合材料部件如管狀部件的方法。
背景技術(shù)：
在若干工程領(lǐng)域中存在增加由復(fù)合材料制成的部件的數(shù)量的強(qiáng)烈趨
勢(shì)。例如，在航空領(lǐng)域中，機(jī)翼蒙皮、被覆面板(coatingpand)和機(jī)身部分是可以使用復(fù)合材料制造的部件。
這些部件通常是用具有以不同取向排列的碳纖維的復(fù)合材料織物(fabric)的層壓體制成的。
這些部件通過復(fù)雜的方法設(shè)計(jì)，所述方法包含計(jì)算步驟、用于設(shè)計(jì)織物模型和用于分析其可生產(chǎn)性的步驟，以及當(dāng)將修改引入這些步驟中的任一個(gè)時(shí)的反饋回路。
作為計(jì)算領(lǐng)域?qū)＜业墓こ處熓褂糜?jì)算程序來計(jì)算部件在給定負(fù)荷下的性能，而設(shè)計(jì)工程師使用CAD系統(tǒng)由計(jì)算的結(jié)果所提供的層壓體規(guī)格來產(chǎn)生織物模型，即限定形成層壓體的織物的位置和輪廓。
即使具有CAD系統(tǒng)功能，在CAD系統(tǒng)中產(chǎn)生上述織物模型的方法也是冗長(zhǎng)的方法，其涉及大量的重復(fù)性人工勞動(dòng)，具有隨后失敗的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在彎曲部件的情況下，因?yàn)橄薅椢锏妮喞_保符合特定要求是非常復(fù)雜和費(fèi)力的。
盡管根據(jù)使用的CAD系統(tǒng)可以或多或少地簡(jiǎn)化方法，但是當(dāng)設(shè)計(jì)者面對(duì)其幾何計(jì)算緩慢的復(fù)雜支持表面(support surface)時(shí)，產(chǎn)生部件的織物模型的時(shí)間可能過長(zhǎng)。設(shè)計(jì)者可能失去他的或她的專心，從而由于CAD系統(tǒng)在幾何運(yùn)行計(jì)算中產(chǎn)生的停工期而造成更多的錯(cuò)誤。這添加了以下事實(shí)，即在某些情況下如在管狀表面中，織物模型可能如此復(fù)雜，以致于在
3數(shù)小時(shí)的工作之后，歸因于由三維空間中幾何交叉所導(dǎo)致的混亂而沒有已完成工作的清晰圖像。
本發(fā)明意在解決此問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是減少目前用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面的復(fù)合材料部件的織物模型的時(shí)間。
前述和其它目的通過提供一種在設(shè)計(jì)具有彎曲表面的復(fù)合材料部件的過程中執(zhí)行設(shè)計(jì)織物模型的階段的方法來實(shí)現(xiàn)，其中多個(gè)在明顯垂直于所述彎曲表面的平面中取向的增強(qiáng)部件被連接到所述具有彎曲表面的復(fù)合材料部件上，所述方法通過以下步驟進(jìn)行
-彎曲部件的表面在2D中展開，產(chǎn)生平面表面，并且在2D中的幾何
基準(zhǔn)(reference)與3D中的彎曲表面的基準(zhǔn)相同。
-將在2D中展開的表面與3D中的彎曲表面以及它們的幾何基準(zhǔn)結(jié)合，使得在它們中的一個(gè)的任何行為都反映在另一個(gè)中。
-在2D展開的表面中，初始計(jì)算織物模型。
-在2D展開的表面中或在3D的彎曲表面中，進(jìn)行織物模型的任意后續(xù)修改。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供能夠與CAD系統(tǒng)一起使用以實(shí)現(xiàn)上述模
型的計(jì)算機(jī)工具。
該目的通過在其功能中允許進(jìn)行以下行為的工具來實(shí)現(xiàn)-將在用于設(shè)計(jì)織物模型的CAD系統(tǒng)中使用的相同的幾何元件在2D
中展開。
-通過與2D域(domain)和3D域的組合表面將2D和3D環(huán)境結(jié)合。-利用由在任一所述域中的工作所產(chǎn)生的信息來更新CAD系統(tǒng)。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下與附圖一起示出其目的的實(shí)施方案的詳細(xì)描述中變得明顯。


圖1顯示示出用于設(shè)計(jì)復(fù)合材料部件的方法的框圖。圖2顯示示出在現(xiàn)有技術(shù)中用于產(chǎn)生織物模型的方法的框圖。圖3顯示示出根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生織物模型的方法的框圖。
圖4顯示管狀彎曲表面與結(jié)構(gòu)實(shí)體的組件的相交(intersection)。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生織物模型的方法的步驟，其中產(chǎn)生3D基準(zhǔn)。
圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生織物模型的方法的步驟，其中將彎曲的支持表面在2D中展開，產(chǎn)生2D環(huán)境的元件中的一個(gè)。
圖7顯示使用根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生織物模型的方法使3D基準(zhǔn)在2D中的展開。
圖8顯示根據(jù)本發(fā)明2D和3D基準(zhǔn)之間的結(jié)合。
圖9顯示在本發(fā)明中使用的2D和3D環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換實(shí)體。
圖10顯示根據(jù)本發(fā)明得到在2D中的幾何基準(zhǔn)。
圖11和12顯示通過使用本發(fā)明的方法在2D中和在3D中產(chǎn)生的織物模型。
具體實(shí)施例方式
復(fù)合材料部件的設(shè)計(jì)是復(fù)雜的方法，如圖1中所示，其包括第一階段11，在該階段，考慮到層壓體必須支持的負(fù)荷的情況下，確定層壓體的基本數(shù)據(jù)；第二階段13，在該階段，設(shè)計(jì)織物模型；第三階段15，在該階段，分析設(shè)計(jì)的可生產(chǎn)性；第四階段17，在該階段，設(shè)計(jì)可能被修改，在這種情況下，重復(fù)前述對(duì)應(yīng)步驟以進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整；和最終階段19，在該階段，得到制造部件所需的信息。
在本方法的上下文中，本發(fā)明涉及使用CAD系統(tǒng)來設(shè)計(jì)彎曲表面部件的織物模型的階段B。在已知技術(shù)中，這個(gè)階段按照?qǐng)D2的方案進(jìn)行。
這個(gè)階段的輸入為
-彎曲部件的表面的幾何形狀21，在該表面上將支持織物，其將被命名為支持表面。
-結(jié)構(gòu)實(shí)體的表象幾何形狀(representationgeometry)23，應(yīng)當(dāng)理解所述結(jié)構(gòu)實(shí)體是將連接到彎曲部件上的部件，并且在織物模型的設(shè)計(jì)中必須考慮它們的位置。所述結(jié)構(gòu)實(shí)體為例如，彎曲部件的增強(qiáng)元件如在航空結(jié)構(gòu)
5體中使用的構(gòu)架或縱梁，并且其表象幾何形狀包含截?cái)嘀С直砻娴钠矫婊?其它表面。
-層壓體的規(guī)格25，向設(shè)計(jì)者說明織物的輪廓線必須如何位于支持表面上。
基于所述幾何形狀21、 23，在第一步27中得到產(chǎn)生織物模型所必需 的基準(zhǔn)，所述基準(zhǔn)基本上由結(jié)構(gòu)實(shí)體與支持表面的相交線和與其平行的曲 線構(gòu)成。
在第二步29中，從所述基準(zhǔn)進(jìn)行織物模型的3D設(shè)計(jì)，即限定形成部 件的層壓體的不同織物的輪廓。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，用于設(shè)計(jì)織物模型的階段通過依照?qǐng)D3的方 案進(jìn)行，下面將根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用于由橫向構(gòu)架和縱向縱梁增強(qiáng)的管狀彎 曲部件的一個(gè)實(shí)施方案來詳細(xì)解釋圖3的方案。
啟動(dòng)數(shù)據(jù)(starting data)與在已知技術(shù)中使用的那些相同支持表面的 幾何形狀21、結(jié)構(gòu)實(shí)體(即，構(gòu)架和縱梁)的幾何形狀23以及層壓體的規(guī) 格25。
在第一步31中，通過以下步驟產(chǎn)生3D基準(zhǔn)
a) 建立結(jié)構(gòu)實(shí)體的平面與支持表面之間的相交線。這將為每個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí) 體產(chǎn)生相交曲線51(參見圖4)。
b) 由于在前述步驟中所產(chǎn)生的每個(gè)相交線上有許多凸起的表面，使得 在相交線本身作為脊柱(spine)的情況下，掃描一行。所得到的表面53可以 垂直于支持表面或與漸高的結(jié)構(gòu)實(shí)體的平面重合(參見圖5)。
在第二步33中，通過以下步驟使彎曲表面在平面中展開，即在2D中 展開
a) 建立支持表面的外部輪廓55，并且建立展開平面(devdopment plane)56(參見圖6)。
b) 使用基準(zhǔn)點(diǎn)54在展開平面56上展開輪廓57(參見圖6)。 在第三步35中，通過以下步驟將基準(zhǔn)3D展開至2D:
a) 在展開平面56上展開結(jié)構(gòu)實(shí)體與支持表面的全部相交線。
b) 由于在前述步驟中展開的每個(gè)相交線上有許多凸起的表面59，使得 采用被展開的曲線本身作為脊柱的情況下，掃描一行。所得到的表面將垂
6直于展開平面56。這些表面還可以通過采用展開平面56的法線作為方向 來拉伸(extrusion)展開的曲線而得到(參見圖7)。
在第四步37中，通過以下步驟將各個(gè)3D基準(zhǔn)與其對(duì)應(yīng)的2D基準(zhǔn)結(jié)合.
a) 在3D和2D中得到的凸起表面53、 59之間成對(duì)建立接合點(diǎn)。結(jié)果 是復(fù)合表面61具有兩個(gè)域， 一個(gè)在3D中而另一個(gè)在2D中(參見圖8)。
b) 通過填充在步驟b)中展開的外部輪廓，建立平面表面63，在其上支 持新表面的支持表面復(fù)制品65，以及進(jìn)而截?cái)嗥矫姹砻?3和支持表面復(fù) 制品65的曲線67。相交點(diǎn)69將是改變2D域和3D域之間基準(zhǔn)的開關(guān) (switch)。在包含于復(fù)合表面中的兩個(gè)域以外，將距點(diǎn)69最近的一個(gè)表面 激活。如果需要在2D中處理(working)，則計(jì)算與平面表面63的相交。如 果需要在3D中處理，則計(jì)算與支持表面復(fù)制品65的相交。該點(diǎn)69是幾 何基準(zhǔn)，從而導(dǎo)致在建立織物的輪廓的同時(shí)選擇一個(gè)域或另一個(gè)(2D或3D) 作為產(chǎn)生實(shí)體(generating entity)。如果需要在平面中處理，則將復(fù)合表面 61的2D域分離。如果需要在曲線中處理，則將復(fù)合表面61的3D域分離， 從而用支持表面復(fù)制品65代替平面表面63(參見圖9)。
c) 在2D中建立基準(zhǔn)71(參見圖10)。
在第五步39中，在2D中建立織物的輪廓75(參見圖11)。 在第六步41中，使織物模型進(jìn)入3D環(huán)境中(參見圖12)。 在任選的第七步41中，可以在2D環(huán)境中和在3D環(huán)境中修改織物模型。
如從前述推論的，根據(jù)本發(fā)明的方法的基本原理包括為了分別在3D 中和在2D中產(chǎn)生基準(zhǔn)51、 71，并且能夠根據(jù)設(shè)計(jì)者的需要從一種環(huán)境變 為另一種環(huán)境，在3D和在2D環(huán)境中準(zhǔn)備相同的啟動(dòng)信息。
為了實(shí)現(xiàn)本方法，將一系列計(jì)算機(jī)工具與常規(guī)CAD系統(tǒng)或包括常規(guī) CAD系統(tǒng)在其中的系統(tǒng)一起使用，所述計(jì)算機(jī)工具進(jìn)行上述操作并且特 別地，涉及如下的那操作
-在2D中展開彎曲表面的幾何形狀和結(jié)構(gòu)實(shí)體的幾何形狀。
-通過激活3D域或2D域來使用上述復(fù)合表面，以在任一個(gè)中處理。
-用從所述域的任一個(gè)中處理得到的信息更新CAD系統(tǒng)。
7在所述術(shù)語的嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上，本發(fā)明可用于"可展開的"彎曲表面 和"不可展開的"彎曲表面。在此意義上并且如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解 的，在2D環(huán)境的產(chǎn)生中，可以將"平坦化""不可展開的"表面的己知方 法中的一種用于"不可展開的"表面的情形。
可以將包含于由后附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)的那些修改引入剛被描述 的優(yōu)選實(shí)施方案中。
權(quán)利要求
1.一種用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面(65)的復(fù)合材料部件的方法，多個(gè)在明顯垂直于所述彎曲表面的平面中取向的增強(qiáng)元件被連接至所述具有彎曲表面(65)的復(fù)合材料部件上，所述方法包括設(shè)計(jì)限定所述織物的輪廓的3D織物模型，所述織物必需被層疊，以由涉及所述具有彎曲表面(65)的部件的幾何基準(zhǔn)和涉及所述增強(qiáng)部件的幾何基準(zhǔn)成型所述部件，其特征在于，所述3D織物模型的所述設(shè)計(jì)包括以下步驟-所述彎曲部件的所述表面(65)在2D中展開以產(chǎn)生平面表面(63)，并且在2D中的幾何基準(zhǔn)(71)與在3D中的所述彎曲表面的所述基準(zhǔn)(51)相同；-將在2D中展開的所述表面(63)與3D中的所述彎曲表面(65)以及它們的幾何基準(zhǔn)(71、51)結(jié)合，使得在它們中的一個(gè)的任何行為都反映在另一個(gè)中；-在2D中展開的所述表面(63)中，初始計(jì)算所述織物模型；-在2D中展開的所述表面(63)中或在3D中的所述彎曲表面(65)中進(jìn)行所述織物模型的任意后續(xù)修改。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面(65)的復(fù)合材料部件 的方法，其特征在于，通過以2D域和3D域?yàn)楦鱾€(gè)增強(qiáng)部件建立復(fù)合表 面(61)來進(jìn)行所提到的元件之間的所述結(jié)合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面(65)的復(fù)合材料部件 的方法，其特征在于，所述具有彎曲表面的部件為管狀，并且所述增強(qiáng)部 件包括橫向構(gòu)架和縱向縱梁。
4. 一種數(shù)據(jù)介質(zhì)，在所述數(shù)據(jù)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序命令，其特征在于， 當(dāng)所述數(shù)據(jù)介質(zhì)在計(jì)算機(jī)中與CAD系統(tǒng)或CAD系統(tǒng)包括在其中的系統(tǒng)一 起執(zhí)行時(shí)，所述數(shù)據(jù)介質(zhì)導(dǎo)致權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法目標(biāo)的實(shí) 現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于設(shè)計(jì)具有彎曲表面(65)的復(fù)合材料部件的方法，所述具有彎曲表面(65)的復(fù)合材料部件與多個(gè)增強(qiáng)元件連接，其中3D織物模型的設(shè)計(jì)包括以下步驟將3D的所述彎曲部件的所述表面(65)在2D中展開，產(chǎn)生平面表面(63)，并且2D中的幾何基準(zhǔn)(71)與所述表面在3D中的所述基準(zhǔn)(51)相同；將在2D中展開的所述表面(63)與3D中的所述表面(65)以及它們的幾何基準(zhǔn)(71、51)結(jié)合，使得在它們中的一個(gè)的任何行為都反映在另一個(gè)中；在2D中展開的所述表面(63)中，初始計(jì)算所述織物模型；在2D中展開的所述表面(63)中或在3D中的所述表面(65)中，進(jìn)行所述織物模型的任意后續(xù)修改。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101689211SQ200780052738
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2007年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者何塞·比利亞魯維亞科爾特斯, 佩里·約瑟夫·菲施, 勞爾·布爾戈斯加列戈, 塞思·阿蘭·佩爾蒂埃, 布賴恩·斯科特·梅略 申請(qǐng)人:空客運(yùn)營(yíng)有限公司