1、复合材料科学与工程DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.015基于干涉检测的复杂进气道自动铺丝可行性研究黄威1，董文武2，姚锋1(1.中国航空制造技术研究院 复合材料技术中心，北京101300;2.海装驻北京地区第五军事代表室，北京101300)摘要:飞机进气道采用基于自动铺丝工艺的复合材料整体成型方案，为分析进气道型面自动铺丝的可行性，对进气道型面与铺丝头的干涉问题进行了研究。首先，以进气道型面网格化的 STL 文件为对象，并结合铺丝头的边界条件，开发了基于VC+6.0 的干涉检测计算程序，获得了型面上干涉区域的位置，并以点云进行标识。然后，在 CATIA 下对
2、标识的干涉区域进行铺丝头外形轮廓的建模，并在 Vericut 仿真软件下对进气道型面进行自动铺丝运动仿真，验证了型面上标识的干涉区域的正确性。最后，将标识过干涉区域的进气道型面反馈给设计进行型面修正，获得了满足自动铺丝条件的进气道型面。关键词:复合材料;进气道;自动铺丝;干涉检测;运动仿真中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03009905The feasibility of automated fiber placement with complex inlet based on interference detectionHUANG Wei1，DONG
3、 Wenwu2，YAO Feng1(1.AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 101300，China;2.Naval Armament Department of The Fifth Military epresentative Office in Beijing，Beijing 101300，China)Abstract:A composite material integral molding scheme based on the automatic fiber placement process was a-dopted fo
4、r the inlet of aircraft To ensure the feasibility of automatic fiber placement on the molded surface of the in-let，the interference problem between the inlet profile and the fiber laying head was studied First，a interferencedetection computing program based on VC+6.0 was developed based on the meshe
5、d STL file of the inlet profile to-gether with the boundary conditions of the wire laying head，and the position of the interference area on the moldedsurface was obtained and marked with large quantities of points Then，the contour of the fiber laying head was mod-eled for the identified interference
6、 area with CATIA Subsequently，the kinematic simulation of automatic fiberplacement on the molded surface was carried out with VEICUT simulation software for verification purposeFinally，the molded surface of the inlet identifying the interference area was fed back for design correction，and theright i
7、nlet profile satisfying the automatic placement was thus obtainedKey words:composite material;inlet;automatic fiber placement;interference detection;kinematic simulation收稿日期:20220721作者简介:黄威(1990)，男，硕士，工程师，主要从事复合材料自动铺放成型方面的研究，。1引言自动铺丝(Automated Fiber Placement，AFP)技术采用预浸料成型，所用的单向预浸料宽度一般为6.35 mm，典型的自动
8、铺丝设备一般由数控机械手臂和铺丝头两部分组成，具有自动化、数字化制造，生产效率高，高精度，曲面适应性强，铺放工艺性好等优点1。自动铺丝过程中，在铺丝头压力和加热作用下，多根预浸丝束组合成一条宽度可调的预浸带，并按照规划的铺放轨迹实现对模具表面的满覆盖27。由于自动铺丝采用的预浸丝束宽度较窄，预浸丝束对铺丝轨迹具有更强的转弯适应能力，可根据需要实现变角度连续铺放，因此适合生产制造以大型飞机结构件为代表的大尺寸构件，其在飞机上的主要应用有进气道、机身壁板、机翼壁板等813。自动铺丝可行性包括制造可行性和工艺可行性两方面。其中，制造的可行性是指复合材料的外形尺寸、结构曲率是否满足自动铺丝设备的铺放条
9、件，一般通过自动铺丝设备的行程和铺丝头的外廓尺寸加以判断，重点分析和研究零件的外形是否会造成铺放过程中铺丝头与模具的干涉。工艺的可行性是992023 年第 3 期基于干涉检测的复杂进气道自动铺丝可行性研究指复合材料的铺层、曲率变化等结构特征能否满足高效率、高质量铺放的要求，一般分析零件的铺层，特别是插层是否满足铺丝设备最短铺丝长度的要求，以及铺丝轨迹是否造成铺放过程中预浸丝束的翻边、架桥和褶皱等铺放缺陷。由于目前国内复合材料设计和制造环节的脱离，经常导致设计的复合材料构件无法满足自动铺丝的条件。特别是复杂进气道负曲率结构的自动化铺放成型，需要首先分析零件的负曲率外形在铺放过程中是否会与铺丝头发
10、生干涉。本文以飞机进气道为例，结合自动铺丝设备铺丝头的外廓尺寸，研究零件型面自动铺丝的制造可行性。2可行性问题提出2.1干涉检测算法干涉检测是数控加工过程仿真的重要内容，其目的是判断不同的物体在某一时刻是否占用公共空间。为了简化干涉检测的计算模型，提高判别干涉的效率，主要采用层次包围盒法、空间分解法、法矢检测法等1417。其中，层次包围盒法通过构建层次结构逼近目标模型，实现以简单规则的几何元素描述复杂的待检测物体的目的;空间分解法将机床的加工空间分割成若干个体积相同的单元，直接对占用相同单元或相邻单元的对象进行求交运算，将三维物体的干涉检测转化为微小单元的相交测试，从而降低检测的复杂程度;法矢
11、检测法通过计算刀具表面法向矢量与工件表面待加工点的距离，判断零件过切或欠切。与传统数控加工不同的是，自动铺丝属于增材制造，加工过程中铺丝头轴线方向需始终垂直于零件曲面，或与每个铺放点处的法向成一微小倾斜角度，以此保证铺放压力的均匀和稳定。因此，自动铺丝干涉检测就是判断铺丝头包围盒与零件曲面是否存在相交。同时，根据干涉类型可将铺丝头包围盒与零件曲面的相交分为全局干涉和局部干涉。全局干涉主要检测铺丝设备各机构和装置之间是否存在自交，局部干涉主要检测铺丝头末端与零件曲面之间是否存在相交。2.2铺丝设备的边界条件本文以盘式铺丝头的自动铺丝设备为例，研究其复杂曲面进气道自动铺丝制造可行性的问题。自动铺丝
12、设备的盘式铺丝头外廓如图 1 所示，铺丝头最小包络圆的直径为 500 mm，纱架密封罩的下檐轮廓圆直径为1 100 mm，与压辊末端的距离为 535 mm。干涉分析的重点在于判断零件型面的最小负曲率半径是否小于 250 mm，以及纱架密封罩下檐轮廓直径为1 100 mm 的圆是否与零件发生干涉。(a)铺丝头外廓包络圆(a)The size profile of AFP head(b)铺丝头纱架密封罩下檐轮廓尺寸(b)The size profile of the lower eave of theAFP head roller sealing cover图 1自动铺丝设备铺丝头边界条件Fig.
13、1The boundary conditions of AFP head3可行性分析3.1可行性分析思想进气道外形为非规则筒体结构，因此不可避免地会出现局部型面为负曲率结构。采用自动铺丝工艺整体化成型复合材料进气道，型面上负曲率结构的特征及最小负曲率半径是决定其能否实现自动铺丝的关键。在进气道型面的最小负曲率半径满足铺丝头可铺放最小负曲率半径的条件时，还需铺丝头上的其他辅助装置不与型面发生干涉，这样才能保证零件实现自动化制造。首先，采用 CATIA 软件的曲率分析功能，分析进气道负曲率曲面的曲率大小及分布位置，如图 2 所示。曲率分析时，根据铺丝头可铺放零件最小负曲率半径为250 mm 设置曲
14、率分析梯度，按大于 270 mm、介于 270250 mm 之间、介于 250230 mm 之间、小于 230 mm 设置曲面曲率分析参数。由图可见，进气道负曲率曲面上部分区域(蓝色显示)的曲率半径小于 250 mm，因此，当铺丝头上压辊运动到该区域时，存在铺丝头末端机构或装置(加热灯、温度传感器等)与模具发生干涉的可能性。0012023 年 3 月复合材料科学与工程图 2曲面曲率分析Fig.2Surface curvature analysis接着，重点分析铺丝头上的纱架密封罩与进气道型面是否发生干涉。只有当铺丝头按轨迹规划设计的铺放路径全覆盖进气道型面上的每一个点时，仍能使纱架密封罩与模具
15、保持一定的安全距离，才能实现零件的自动化铺放成型。由于纱架密封罩为圆形装置，因此可通过在进气道型面上作每一点的面外垂线，模拟铺丝头末端中心运动到该点时纱架密封罩的轮廓圆的空间位置，进而判断纱架密封罩是否与模具发生干涉。首先，利用 STL 文件格式对曲面进行网格化离散，如图3 所示，从而将曲面信息转化为若干个平面三角形;然后，求取每个平面三角形的形心坐标，并以平面三角形的法向表示该形心点在曲面上的法向;最后，作出压辊末端中心位于每个形心点时纱架密封罩的下檐轮廓圆，判断轮廓圆与曲面是否发生干涉。图 3曲面三角网格Fig.3Surface triangle mesh3.2可行性分析算法根据三维空间中
16、圆与曲面相交的特点可知，至少存在圆上一点与曲面的最小距离为零。三维空间中，以点(cx，cy，cz)为圆心、以向量 n 为法向量、半径为 r 的圆的参数方程为:x()=cx+rcos()ax+rsin()bxy()=cy+rcos()ay+rsin()byz()=cz+rcos()az+rsin()bz(1)其中:(ax，ay，az)与(bx，by，bz)分别对应单位向量 a与 b，它们既垂直于 n，又互相垂直，随着 从 0 变化到 2，通过参数方程可以得到圆上每一点的坐标。计算曲面上每个三角形形心点与圆上每一点的距离，设计三层循环算法，判断纱架密封罩的下檐轮廓圆是否与待判定曲面存在交点。第一层循环:遍历曲面上所有三角形的形心点。第二层循环:遍历纱架密封罩的下檐轮廓圆上每一点。第三层循环:遍历曲面上所有三角形的形心点，计算每个形心点与圆上当前点的距离，并获取每个形心点与圆上当前点距离的最小值，判断最小值是否小于网格化三角形的大小，从而判断第一层循环的形心点是否为干涉点。4干涉检测与验证4.1干涉点检测在提出干涉检测算法判别复杂进气道自动铺丝可行性的基础上，以曲面网格化的 STL 文件为对