本發(fā)明專利技術(shù)屬于纖維曲線鋪放路徑規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法：首先，在有限元軟件中建立復(fù)合材料芯模三維模型；其次，劃分四邊形單元網(wǎng)格，以復(fù)合材料芯模三維模型中芯模表面的細(xì)觀纖維鋪角取向?yàn)閰⒄眨蝗缓?，采用四邊形網(wǎng)格曲面基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搜索算法獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；最后，通過(guò)曲線擬合方法得到連續(xù)的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑。本發(fā)明專利技術(shù)對(duì)任意開(kāi)曲面殼結(jié)構(gòu)的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃具有普適性，可為復(fù)合材料全局路徑規(guī)劃提供滿足纖維鋪角分布的基準(zhǔn)路徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)纖維曲線鋪放復(fù)合材料的工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及纖維曲線鋪放路徑規(guī)劃，特別涉及一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法。
技術(shù)介紹
1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片、飛機(jī)等設(shè)備的制造當(dāng)中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、屈曲等力學(xué)性能有了更高的要求，為此，布置合理、有效的纖維曲線鋪放路徑，需充分發(fā)揮纖維的軸向力學(xué)特性，是目前的熱點(diǎn)研究方向。
2、然而，現(xiàn)有的研究大多基于有限元方法將曲面結(jié)構(gòu)離散網(wǎng)格化，以單元細(xì)觀纖維鋪角為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)纖維鋪角進(jìn)行優(yōu)化，獲得細(xì)觀纖維鋪角的最優(yōu)分布。規(guī)劃纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑是獲得曲線鋪放纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的首要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法自動(dòng)化程度低、不具有說(shuō)服力、路徑軌跡未能充分發(fā)揮纖維軸向力學(xué)性能，無(wú)法直接應(yīng)用于工程實(shí)際中，迫切需要一種自動(dòng)化程度高的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，為全局纖維滿鋪提供承載有纖維鋪角信息的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，以解決目前現(xiàn)有基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法自動(dòng)化程度低、說(shuō)服力弱、適用范圍小以及未充分利用纖維鋪角最優(yōu)分布方案進(jìn)行路徑規(guī)劃的技術(shù)問(wèn)題。
2、本專利技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題，采用的技術(shù)方案是：
3、一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，包括如下步驟：
4、在有限元軟件中建立復(fù)合材料芯模三維模型；
5、劃分四邊形單元網(wǎng)格，以復(fù)合材料芯模三維模型中芯模表面的細(xì)觀纖維鋪角取向?yàn)閰⒄眨?/p>6、采用四邊形網(wǎng)格曲面基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搜索算法獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；
7、通過(guò)曲線擬合方法得到連續(xù)的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑。
8、作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述有限元軟件為abaqus，曲線擬合方法采用三次nurbs曲線擬合方法。
9、作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述細(xì)觀纖維鋪角取向是曲面四邊形網(wǎng)格單元的離散纖維鋪角，依據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行規(guī)劃。
10、作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述采用四邊形網(wǎng)格曲面基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搜索算法獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，包括如下步驟：
11、s301、確定笛卡爾坐標(biāo)系下芯模曲面邊界結(jié)點(diǎn)集合bj、曲面四邊形網(wǎng)格單元信息集合dy、單元結(jié)點(diǎn)集合jd和芯模表面細(xì)觀纖維鋪角集合dj；
12、s302、設(shè)定基準(zhǔn)路徑搜索起始點(diǎn)first，將其保存至基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集合p，確定起始點(diǎn)基本坐標(biāo)及編號(hào)坐標(biāo)，設(shè)定單元邊線插值點(diǎn)數(shù)量m；
13、s303、確定first的單元和結(jié)點(diǎn)編號(hào)dy：[u,d1,d2,d3,d4]，以及結(jié)點(diǎn)的基本坐標(biāo)[(xd1,yd1,zd1)；(xd2,yd2,zd2)；(xd3,yd3,zd3)；(xd4,yd4,zd4)]，依據(jù)單元網(wǎng)格處理方法，獲得搜索點(diǎn)集合ps；
14、s304、依據(jù)當(dāng)前單元的纖維鋪角θ，遵循搜索原則，確定搜索方向向量xl及終點(diǎn)next的基本坐標(biāo)和編號(hào)坐標(biāo)；
15、s305、判斷next是否滿足搜索終止條件，若next滿足搜索終止條件，將next作為基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保存至集合p，終止搜索，若不滿足，則依據(jù)next的類型，對(duì)下一搜索域進(jìn)行預(yù)判；當(dāng)next的搜索域單元數(shù)量為3時(shí)，分別求解各單元內(nèi)滿足搜索原則的搜索方向向量xl，僅選擇相鄰單元搜索方向向量夾角最小的方向，求解該方向的預(yù)判搜索點(diǎn)newnext；當(dāng)next的搜索域單元數(shù)量為1時(shí)，依據(jù)搜索原則求解預(yù)判搜索終點(diǎn)newnext；
16、s306、判斷下一搜索域的預(yù)判搜索終點(diǎn)是否有解，若無(wú)解，則將next作為基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保存至集合p，終止搜索，若有解，則將next作為基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保存至關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集合p，并以點(diǎn)next為新的first，重復(fù)s303至s306。
17、作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟s302中，所述基本坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)系下坐標(biāo)表示形式，單元編號(hào)坐標(biāo)有兩類形式：
18、第一類：搜索點(diǎn)位于編號(hào)為v的結(jié)點(diǎn)上，搜索方向向量起點(diǎn)和終點(diǎn)均位于編號(hào)為u的單元上，表示為[u-(v)]；
19、第二類：搜索點(diǎn)位于結(jié)點(diǎn)編號(hào)為v和w的單元邊線上，搜索方向向量起點(diǎn)和終點(diǎn)均位于編號(hào)為u的單元上，單元邊線上結(jié)點(diǎn)的編號(hào)次序遵循該單元逆時(shí)針排列方式，表示為[u-(v,w)]。
20、作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟s303中，所述單元網(wǎng)格處理方法是在單元邊線上進(jìn)行線性插值處理，獲得插值點(diǎn)；
21、當(dāng)單元編號(hào)為u，結(jié)點(diǎn)為d1、d2、d3和d4的單元時(shí)，d1d2邊上插值點(diǎn)ai的坐標(biāo)求解如下：
22、
23、其中，為點(diǎn)d1坐標(biāo)，為點(diǎn)d2坐標(biāo)，m為插值點(diǎn)個(gè)數(shù)。
24、作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟s304中，所述搜索原則包括：
25、1)以單元邊線插值點(diǎn)與單元結(jié)點(diǎn)作為搜索點(diǎn)，擴(kuò)大基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的搜索空間；
26、2)搜索方向角與纖維鋪角誤差最大約束如式：
27、|θw-αw|≤e
28、其中，e為搜索容許誤差，θw為編號(hào)為w單元內(nèi)的纖維鋪角，αw為編號(hào)為w單元內(nèi)的搜索方向角，纖維鋪角θw和搜索方向角αw的最大偏差不超過(guò)搜索容許誤差e，αw的求解公式為：
29、
30、其中，l為單元w中與局部坐標(biāo)系x軸同向的基準(zhǔn)向量，xlw為單元w內(nèi)的搜索方向向量，是單元w內(nèi)由起點(diǎn)指向搜索點(diǎn)的有向線段；
31、3)相鄰搜索方向向量夾角最大約束，約束條件如下：
32、|αj-αj+1|≤etheta
33、其中，αj為第j個(gè)搜索單元的搜索方向，αj+1為第j+1個(gè)搜索單元，etheta為搜索方向向量夾角的約束值。
34、作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟s305中，所述搜索終止條件包括：
35、1)搜索點(diǎn)位于已搜索過(guò)的單元上時(shí)，終止搜索；
36、2)搜索路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)抵達(dá)芯模曲面邊界時(shí)，終止搜索；
37、3)不滿足相鄰搜索方向向量夾角最大約束時(shí)，終止搜索。
38、作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟s305中，所述搜索點(diǎn)的類型分為四種，分別為：
39、1)搜索點(diǎn)位于單元邊線上；
40、2)搜索點(diǎn)位于單元結(jié)點(diǎn)上；
41、3)搜索點(diǎn)位于已搜索過(guò)的單元上；
42、4)搜索點(diǎn)位于芯模邊界線上。
43、作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟s305中，所述搜索域單元的數(shù)量隨搜索終點(diǎn)next的類型而改變，具體包括：
44、1)終點(diǎn)next位于單元邊線上，該邊線為搜索域單元與當(dāng)前單元的公共邊，搜索域單元數(shù)量為1；
45、2)終點(diǎn)next位于單元結(jié)點(diǎn)上，該結(jié)點(diǎn)為搜索域單元與當(dāng)前單元的公共結(jié)點(diǎn)，當(dāng)結(jié)點(diǎn)在芯模邊界時(shí)，搜索域單元數(shù)量為1，當(dāng)結(jié)點(diǎn)不在芯模邊界時(shí)，搜索域單元數(shù)量為3；
46、3)終點(diǎn)next位于已搜索過(guò)的單元上，搜索域單元數(shù)量為0。
47、本專利技術(shù)的有益效果是本文檔來(lái)自技高網(wǎng)
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述有限元軟件為ABAQUS，曲線擬合方法采用三次NURBS曲線擬合方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述細(xì)觀纖維鋪角取向是曲面四邊形網(wǎng)格單元的離散纖維鋪角，依據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行規(guī)劃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述采用四邊形網(wǎng)格曲面基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搜索算法獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，包括如下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟S302中，所述基本坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)系下坐標(biāo)表示形式，單元編號(hào)坐標(biāo)有兩類形式：
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟S303中，所述單元網(wǎng)格處理方法是在單元邊線上進(jìn)行線性插值處理，獲得插值點(diǎn)；
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟S304中，所述搜索原則包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟S305中，所述搜索終止條件包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟S305中，所述搜索點(diǎn)的類型分為四種，分別為：
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟S305中，所述搜索域單元的數(shù)量隨搜索終點(diǎn)Next的類型而改變，具體包括：
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【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述有限元軟件為abaqus，曲線擬合方法采用三次nurbs曲線擬合方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述細(xì)觀纖維鋪角取向是曲面四邊形網(wǎng)格單元的離散纖維鋪角，依據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行規(guī)劃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述采用四邊形網(wǎng)格曲面基準(zhǔn)路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搜索算法獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，包括如下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于四邊形網(wǎng)格的纖維曲線鋪放基準(zhǔn)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s302中，所述基本坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)系下坐標(biāo)表示形式，單元編號(hào)坐標(biāo)有兩類...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫鵬文，李天澤，張?zhí)m挺，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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