專利名稱：用于復(fù)合材料的彎曲部件的先進(jìn)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于復(fù)合材料的彎曲部件的先進(jìn)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助方法，更具體地，涉及可以用于使用CAD系統(tǒng)從二維網(wǎng)格模型獲得彎曲部件的實(shí)體模型的方法。
背景技術(shù)：
在一些工程領(lǐng)域中，十分傾向于增加由復(fù)合材料制成的部件的數(shù)量，例如，在航空領(lǐng)域中機(jī)翼表面護(hù)板、蓋板和機(jī)身的部分是可以使用復(fù)合材料制造的部件。這些部件的制造過程基本上包括帶狀鋪疊(tape-laying)步驟和成形和固化步驟，在帶狀鋪疊步驟中，將能夠存儲的纖維增強(qiáng)材料和聚合物基體的混合物的諸如預(yù)浸坯料的復(fù)合材料層放置在適當(dāng)成形的模具/工具中。復(fù)合材料可以具有不同的形式，并且具體地具有網(wǎng)格的形式。復(fù)合材料網(wǎng)格不是隨意放置而是按編號布置在每個(gè)區(qū)域中，復(fù)合材料網(wǎng)格的纖維增強(qiáng)材料(典型地是碳纖維)的布置根據(jù)部件在每個(gè)區(qū)域中將要承受的作用力的性質(zhì)和大小來確定。不同區(qū)域之間的厚度差異造成網(wǎng)格衰減，其需要在網(wǎng)格模型中設(shè)立和表現(xiàn)。這種部件的設(shè)計(jì)通過復(fù)雜過程執(zhí)行，包括計(jì)算步驟、網(wǎng)格模型設(shè)計(jì)及其產(chǎn)能分析步驟，具有當(dāng)在任何這些步驟中發(fā)生變化時(shí)的反饋環(huán)。計(jì)算專家工程師使用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算在給定負(fù)載下的部件的行為并且設(shè)計(jì)工程師使用用于生成網(wǎng)格模型的CAD系統(tǒng)，即基于由計(jì)算結(jié)果提供的層壓體的技術(shù)規(guī)格，確定層壓體的部件網(wǎng)格的輪廓和位置。雖然具有CAD系統(tǒng)的功能性，在CAD系統(tǒng)中生成上述網(wǎng)格模型的過程也是一個(gè)繁瑣的程序，涉及大量重復(fù)的手工工作，因此存在失誤的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在彎曲部件的情況下， 其中使用當(dāng)前工具，部件的實(shí)體模型從二維網(wǎng)格模型(對應(yīng)于平面層壓體，其必須通過成形和固化過程制造以獲取最后部件)通過一個(gè)過程來獲取，在所述過程中，基準(zhǔn)線要在邊緣表面上彎曲，考慮坪區(qū)和彎曲半徑之間的全部接頭，在中心和邊緣中的不同厚度的區(qū)域或坪區(qū)必須要手動地分配，這個(gè)過程是乏味的、漫長的和重復(fù)的。使用現(xiàn)行可用的CAD系統(tǒng)從在制造所述部件的第一步驟中獲得的平面層壓體的二維網(wǎng)格模型自動或半自動地獲取復(fù)合材料的彎曲部件的實(shí)體模型是不可能的，這是阻礙這種部件的設(shè)計(jì)過程的一個(gè)缺點(diǎn)。本發(fā)明目的在于解決這個(gè)缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于從二維網(wǎng)格模型獲得復(fù)合材料的彎曲部件的實(shí)體模型的方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，用于從簡單部件的二維網(wǎng)格模型獲得由幾個(gè)簡單部件組裝而成的復(fù)雜部件的實(shí)體模型，以檢查在組裝體中滿足堆疊規(guī)則。本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了用軟件補(bǔ)充在復(fù)合材料部件的設(shè)計(jì)中使用的CAD系統(tǒng)，以從二維網(wǎng)格模型自動地或半自動地獲取復(fù)合材料的彎曲部件的實(shí)體模型。在第一個(gè)方面中，實(shí)現(xiàn)這些和其他目的的使用計(jì)算機(jī)輔助CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法包括以下步驟-提供部件的二維網(wǎng)格模型。-生成部件的三維外表面。-通過適配二維網(wǎng)格模型到三維外表面的幾何形狀來獲得三維網(wǎng)格模型。-生成彎曲部件的實(shí)體模型。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該方法應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)的簡單部件，諸如具有C形截面的桅桿。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，這種方法應(yīng)用到由幾個(gè)簡單的部件組裝產(chǎn)生的復(fù)雜的部件。在第二方面中，通過軟件實(shí)現(xiàn)上述目的，當(dāng)軟件在計(jì)算機(jī)上與CAD系統(tǒng)一起執(zhí)行或者包括在CAD系統(tǒng)中時(shí)，能夠自動或半自動執(zhí)行上述方法的各個(gè)步驟。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從實(shí)施例的具體說明、對象示例和附圖中變得明顯。


圖1顯示彎曲部件由其形成的平面層壓體的二維網(wǎng)格模型。圖2示意地顯示圖案輪廓線關(guān)于彎曲線的彎曲。圖3示意地顯示在陽模上形成彎曲部件的過程。圖4示意地顯示在陰模上形成彎曲部件的過程。圖5示意地顯示在二維網(wǎng)格模型中不同厚度的區(qū)域和彎曲線，圖案輪廓線關(guān)于該彎曲線彎曲。圖6示意性顯示位于不同厚度的兩個(gè)區(qū)域之間的斜面上的三個(gè)輪廓線的彎曲。圖7顯示彎曲表面旁邊的二維網(wǎng)格模型。圖8描繪從二維網(wǎng)格模型到三維網(wǎng)格模型的轉(zhuǎn)換。圖9描繪從三維網(wǎng)格模型到實(shí)體模型的轉(zhuǎn)換。圖10顯示可以應(yīng)用形成本發(fā)明的主題的方法的由幾個(gè)簡單部件組裝成的復(fù)雜的部件。
具體實(shí)施例方式為了正確理解本發(fā)明，對在這個(gè)說明的論述中使用的一些術(shù)語的含義進(jìn)行說明。彎曲部件通過如下過程制造的復(fù)合材料部件，該過程包括帶狀鋪疊的第一步驟和成形和固化的第二步驟，在第一步驟中，獲得(平面或曲面)的層壓體，在第二步驟中， 所述層壓體被“彎曲”以獲得所需的形狀。可以引用尾翼抗扭箱的C形桅桿作為在航空工業(yè)中使用的彎曲部件的例子。網(wǎng)格或圖案用于形成層壓體的分層材料由其輪廓和其在層壓體中的位置限定， 還由諸如纖維增強(qiáng)材料的排列的一些物理特性限定。二維網(wǎng)格模型必須被堆疊以形成平面層壓體的網(wǎng)格在CAD系統(tǒng)中的二維表示。 二維網(wǎng)格模型的一個(gè)目的在于提供用于制造所述平面層壓體的每個(gè)網(wǎng)格的信息。
三維網(wǎng)格模型處于最終狀態(tài)的部件的網(wǎng)格模型在CAD系統(tǒng)中的三維表示。三維網(wǎng)格的模型的基本目的之一是優(yōu)化其最終狀態(tài)的顯示。實(shí)體模型在諸如CATIA的CAD系統(tǒng)中的彎曲部件的表示，顯示其幾何和相關(guān)物理性質(zhì)兩者。三維網(wǎng)格模型的基本目的之一是提供用于優(yōu)化部件的設(shè)計(jì)所需要的信息?，F(xiàn)在將關(guān)于C形彎曲部件描述形成本發(fā)明的主題的方法的優(yōu)選實(shí)施例，所述方法包括以下幾個(gè)步驟，全部在CAD系統(tǒng)中執(zhí)行a)獲得部件的二維網(wǎng)格模型。b)生成部件的三維外表面。c)生成部件的三維網(wǎng)格模型。d)生成彎曲部件的實(shí)體模型。在下面詳細(xì)描述這些步驟。a)獲得部件的二維網(wǎng)格模型基于由基本幾何形狀提供的參數(shù)和由計(jì)算給定的有限元數(shù)據(jù)，使用在CAD系統(tǒng)中可用的工具以已知的方式獲得二維網(wǎng)格模型。基本幾何形狀數(shù)據(jù)指的是圖案幾何形狀的支撐面和包括在設(shè)計(jì)過程中的結(jié)構(gòu)要素(表面，位面和曲線)。計(jì)算數(shù)據(jù)被分配給模型并且在設(shè)計(jì)過程之后圖案將作為結(jié)果得到。圖1顯示在對應(yīng)于平面層壓體的這個(gè)步驟中獲得的二維網(wǎng)格模型11，因?yàn)樵谡诳紤]的情況下，圖案的幾何形狀的支撐表面是平面實(shí)體，因?yàn)槠涫窃谄矫婀ぞ呱嫌肁TL帶狀鋪疊技術(shù)生成的。正如我們已經(jīng)說過的，這個(gè)平面層壓體必須被“彎曲”以在成形和固化步驟中獲得最終部件。因此，二維網(wǎng)格模型11顯示一組平面圖案13，其中一些將必須在彎曲部件的制造的第二步驟中彎曲。一旦二維網(wǎng)格模型11已經(jīng)被限定，必須關(guān)于我們將稱為彎曲線23的線彎曲的圖案輪廓線17被識別，如示意地顯示在圖2中的那樣。b)生成部件的三維外表面為了上述目的，考慮部件的制造方法，使用可用的幾何數(shù)據(jù)構(gòu)造三維網(wǎng)格模型將被支持在其上的部件的三維外表面。如果使用如在圖3描繪的陽模33，圖案13將在幾何凸面之上彎曲。在這種情況下， 將產(chǎn)生的表面的彎曲半徑，即，部件中的中心和邊緣之間的半徑，將取決于在工具上使用的初始半徑加上在層壓體中獲得的區(qū)域的總厚度。這將導(dǎo)致這個(gè)表面在具有不同厚度的層壓體的整個(gè)區(qū)域具有可變的半徑。黑帶19表示將被建模的表面。箭頭35指示產(chǎn)生實(shí)體的內(nèi)表面時(shí)厚度增加的位置。如果使用圖4中描述的陰模37，圖案13將在幾何凹面上彎曲。在這種情況下，將產(chǎn)生的表面的彎曲半徑，即，在部件中的中心和邊緣之間的半徑，將是恒定的。黑帶19表示將被建模的表面。箭頭37指示產(chǎn)生實(shí)體的內(nèi)表面時(shí)厚度增加的位置。在將被彎曲的線之間，存在層壓體的厚度可能不同的區(qū)域。在利用陽模工作的情況下，有必要確定所述厚度，以用相應(yīng)變化的半徑來建模表面。計(jì)算出的厚度將被添加到由工具確定的最小半徑。
c)生成部件的三維網(wǎng)格模型—旦已經(jīng)獲得三維表面19，由相應(yīng)彎曲線23預(yù)先識別的輪廓線被彎曲。如圖5、6和7所示，彎曲線23由二維網(wǎng)格模型11確定，并且彎曲表面31的形狀
類似于部件成形工具的形狀。圖5顯示具有不同厚度的區(qū)域3、5.......7，并且為更好地
說明，指出確定區(qū)域3和區(qū)域5之間斜面9的三個(gè)輪廓線17’、17”、17”’。這些輪廓線17’、17”、17”’必須被如在圖6中示意地那樣彎曲，并且如我們已經(jīng)預(yù)先指出的那樣，可能發(fā)生的是，線17’和17”’的半徑41、45是不同。彎曲每個(gè)輪廓線17的過程包括以下步驟將被彎曲的輪廓線17與彎曲線23產(chǎn)生交叉點(diǎn)，作為結(jié)果給出一個(gè)點(diǎn)。通過這一點(diǎn)劃出到彎曲線23的切線。將被彎曲的輪廓線17通過預(yù)先計(jì)算的交叉點(diǎn)切割。切割的結(jié)果是線的一部分將轉(zhuǎn)動，并停止在三維表面19上。將切線作為旋轉(zhuǎn)軸并且將預(yù)先切割的將被彎曲的曲線部分作為形狀產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)面。所述旋轉(zhuǎn)面與三維表面19交叉。結(jié)果將是彎曲的輪廓線17停止在三維表面19 上。最后，網(wǎng)格模型輪廓適配彎曲幾何形狀。如圖8所示，這個(gè)步驟的結(jié)果是三維網(wǎng)格模型51。d)生成彎曲部件的實(shí)體模型基于三維網(wǎng)格模型51并且如圖9所示，使用已知的CAD工具獲得實(shí)體模型53。在我們描述的優(yōu)選的實(shí)施方式中，已經(jīng)使用形成本發(fā)明主題的方法，用于產(chǎn)生如航空結(jié)構(gòu)的桅桿的C形簡單部件的模型，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將十分明白，這種方法適用于使用平面帶狀鋪疊并且隨后在成形步驟中彎曲以取得理想的最終形狀的任何平面設(shè)計(jì)的復(fù)合材料部件。該方法也適用于諸如在圖10中顯示的由4個(gè)C-形部件和兩個(gè)平面部件組裝而成的復(fù)雜部件。在這種情況下，步驟a)，b)和c)應(yīng)用于每一個(gè)簡單部件，在步驟e)中各部件的三維網(wǎng)格模型被“組裝”，并且在步驟f)中，獲得復(fù)雜部件的實(shí)體模型。這個(gè)實(shí)體模型便于組裝部件的分析，考慮到對于一組簡單部件作為一個(gè)整體并且不僅僅對于它們的單獨(dú)的每個(gè)，必須符合堆疊規(guī)則，使得它們的設(shè)計(jì)更快和更強(qiáng)大。該方法可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，附加于使用的CAD工具(如CATIA)，其包括用于該方法的這些步驟的自動化的不被所使用的CAD工具所涵蓋的具體代碼，并且在需要它的這些步驟中提供與CAD工具的接口。包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)的那些修改可以被引入改進(jìn)的優(yōu)選實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，使用計(jì)算機(jī)輔助CAD系統(tǒng)，其特征在于，所述方法包括以下幾個(gè)步驟a)提供部件的二維網(wǎng)格模型(11)；b)產(chǎn)生部件的三維外表面(19)；c)通過適配二維網(wǎng)格模型(11)到三維外表面(19)的幾何形狀，獲得三維網(wǎng)格模型 (51)；d)生成彎曲部件的實(shí)體模型(53)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，其特征在于，在步驟c)中提到的適配通過相對于一些彎曲線03)彎曲二維模型(11)的圖案的(13)的輪廓線(17) 而發(fā)生，所述彎曲線關(guān)于彎曲表面(31)建立，所述彎曲表面(31)的形狀與為部件制造過程的成形步驟提供的工具的形狀類似。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，其特征在于，如果所述工具是陽模(33)，三維外表面(19)對應(yīng)于與部件的外層相鄰的假想表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，其特征在于，如果所述工具是陰模(37)，三維外表面(19)對應(yīng)于與陰模(37)相鄰的假想表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，其特征在于，所述彎曲部件是航空結(jié)構(gòu)的簡單部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，其特征在于，所述簡單部件是C形桅桿。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的彎曲部件的方法，其特征在于，所述彎曲部件是由兩個(gè)或更多個(gè)簡單部件組裝的復(fù)雜部件，并且所述方法包括對每個(gè)簡單部件應(yīng)用步驟a)、b)和c)，以及組裝每個(gè)部件的三維網(wǎng)格模型的步驟e)，以及獲得所述復(fù)雜部件的實(shí)體模型的步驟f)。
8.一種存儲程序指令的數(shù)據(jù)媒體，其特征在于，當(dāng)所述程序指令在計(jì)算機(jī)上與CAD系統(tǒng)一起執(zhí)行或者包含在CAD系統(tǒng)中時(shí)，引起形成權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的主題的所述方法的執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于復(fù)合材料的折疊部件的先進(jìn)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助方法，使用計(jì)算機(jī)支持的CAD系統(tǒng)，其包括以下步驟a)提供部件的二維結(jié)構(gòu)模型(11)；b)生成部件的三維外表面(19)；c)獲得的三維結(jié)構(gòu)模型(51)，通過相對于折線(23)折疊二維模型(11)的圖案的輪廓線(17)，適配二維結(jié)構(gòu)模型(11)到三維外表面(19)的幾何形狀，所述折線(23)關(guān)于類似于設(shè)置用于折疊部件的工具的折疊表面生成；和d)生成折疊部件的實(shí)體模型(53)。本發(fā)明還涉及當(dāng)在計(jì)算機(jī)上與CAD系統(tǒng)一起執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)該方法的一種計(jì)算機(jī)程序。
文檔編號G06F17/50GK102308298SQ200980132412
公開日2012年1月4日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者勞爾·布爾戈斯加列戈, 安東尼奧·德朱利安阿瓜多 申請人:空客運(yùn)營有限公司