專利名稱：用于復合材料的彎曲部件的先進設計的計算機輔助方法
技術領域：
本發明涉及一種用于復合材料的彎曲部件的先進設計的計算機輔助方法，更具體地，涉及可以用于使用CAD系統從二維網格模型獲得彎曲部件的實體模型的方法。
背景技術：
在一些工程領域中，十分傾向于增加由復合材料制成的部件的數量，例如，在航空領域中機翼表面護板、蓋板和機身的部分是可以使用復合材料制造的部件。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材料和聚合物基體的混合物的諸如預浸坯料的復合材料層放置在適當成形的模具/工具中。復合材料可以具有不同的形式，并且具體地具有網格的形式。復合材料網格不是隨意放置而是按編號布置在每個區域中，復合材料網格的纖維增強材料(典型地是碳纖維)的布置根據部件在每個區域中將要承受的作用力的性質和大小來確定。不同區域之間的厚度差異造成網格衰減，其需要在網格模型中設立和表現。這種部件的設計通過復雜過程執行，包括計算步驟、網格模型設計及其產能分析步驟，具有當在任何這些步驟中發生變化時的反饋環。計算專家工程師使用計算機程序計算在給定負載下的部件的行為并且設計工程師使用用于生成網格模型的CAD系統，即基于由計算結果提供的層壓體的技術規格，確定層壓體的部件網格的輪廓和位置。雖然具有CAD系統的功能性，在CAD系統中生成上述網格模型的過程也是一個繁瑣的程序，涉及大量重復的手工工作，因此存在失誤的風險，特別是在彎曲部件的情況下， 其中使用當前工具，部件的實體模型從二維網格模型(對應于平面層壓體，其必須通過成形和固化過程制造以獲取最后部件)通過一個過程來獲取，在所述過程中，基準線要在邊緣表面上彎曲，考慮坪區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域或坪區必須要手動地分配，這個過程是乏味的、漫長的和重復的。使用現行可用的CAD系統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格模型自動或半自動地獲取復合材料的彎曲部件的實體模型是不可能的，這是阻礙這種部件的設計過程的一個缺點。本發明目的在于解決這個缺點。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種用于從二維網格模型獲得復合材料的彎曲部件的實體模型的方法。本發明的另一個目的是提供一種方法，用于從簡單部件的二維網格模型獲得由幾個簡單部件組裝而成的復雜部件的實體模型，以檢查在組裝體中滿足堆疊規則。本發明的另一個目的是為了用軟件補充在復合材料部件的設計中使用的CAD系統，以從二維網格模型自動地或半自動地獲取復合材料的彎曲部件的實體模型。在第一個方面中，實現這些和其他目的的使用計算機輔助CAD系統設計復合材料的彎曲部件的方法包括以下步驟-提供部件的二維網格模型。-生成部件的三維外表面。-通過適配二維網格模型到三維外表面的幾何形狀來獲得三維網格模型。-生成彎曲部件的實體模型。在優選的實施方式中，該方法應用于航空結構的簡單部件，諸如具有C形截面的桅桿。在另一個優選的實施方式中，這種方法應用到由幾個簡單的部件組裝產生的復雜的部件。在第二方面中，通過軟件實現上述目的，當軟件在計算機上與CAD系統一起執行或者包括在CAD系統中時，能夠自動或半自動執行上述方法的各個步驟。本發明的其它特征和優點將從實施例的具體說明、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格模型。圖2示意地顯示圖案輪廓線關于彎曲線的彎曲。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格模型中不同厚度的區域和彎曲線，圖案輪廓線關于該彎曲線彎曲。圖6示意性顯示位于不同厚度的兩個區域之間的斜面上的三個輪廓線的彎曲。圖7顯示彎曲表面旁邊的二維網格模型。圖8描繪從二維網格模型到三維網格模型的轉換。圖9描繪從三維網格模型到實體模型的轉換。圖10顯示可以應用形成本發明的主題的方法的由幾個簡單部件組裝成的復雜的部件。
具體實施例方式為了正確理解本發明，對在這個說明的論述中使用的一些術語的含義進行說明。彎曲部件通過如下過程制造的復合材料部件，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中使用的彎曲部件的例子。網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， 還由諸如纖維增強材料的排列的一些物理特性限定。二維網格模型必須被堆疊以形成平面層壓體的網格在CAD系統中的二維表示。 二維網格模型的一個目的在于提供用于制造所述平面層壓體的每個網格的信息。
三維網格模型處于最終狀態的部件的網格模型在CAD系統中的三維表示。三維網格的模型的基本目的之一是優化其最終狀態的顯示。實體模型在諸如CATIA的CAD系統中的彎曲部件的表示，顯示其幾何和相關物理性質兩者。三維網格模型的基本目的之一是提供用于優化部件的設計所需要的信息。現在將關于C形彎曲部件描述形成本發明的主題的方法的優選實施例，所述方法包括以下幾個步驟，全部在CAD系統中執行a)獲得部件的二維網格模型。b)生成部件的三維外表面。c)生成部件的三維網格模型。d)生成彎曲部件的實體模型。在下面詳細描述這些步驟。a)獲得部件的二維網格模型基于由基本幾何形狀提供的參數和由計算給定的有限元數據，使用在CAD系統中可用的工具以已知的方式獲得二維網格模型。基本幾何形狀數據指的是圖案幾何形狀的支撐面和包括在設計過程中的結構要素(表面，位面和曲線)。計算數據被分配給模型并且在設計過程之后圖案將作為結果得到。圖1顯示在對應于平面層壓體的這個步驟中獲得的二維網格模型11，因為在正在考慮的情況下，圖案的幾何形狀的支撐表面是平面實體，因為其是在平面工具上用ATL帶狀鋪疊技術生成的。正如我們已經說過的，這個平面層壓體必須被“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。一旦二維網格模型11已經被限定，必須關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，使用可用的幾何數據構造三維網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域的總厚度。這將導致這個表面在具有不同厚度的層壓體的整個區域具有可變的半徑。黑帶19表示將被建模的表面。箭頭35指示產生實體的內表面時厚度增加的位置。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指示產生實體的內表面時厚度增加的位置。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，以用相應變化的半徑來建模表面。計算出的厚度將被添加到由工具確定的最小半徑。
c)生成部件的三維網格模型—旦已經獲得三維表面19，由相應彎曲線23預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域3、5.......7，并且為更好地
說明，指出確定區域3和區域5之間斜面9的三個輪廓線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，并且如我們已經預先指出的那樣，可能發生的是，線17’和17”’的半徑41、45是不同。彎曲每個輪廓線17的過程包括以下步驟將被彎曲的輪廓線17與彎曲線23產生交叉點，作為結果給出一個點。通過這一點劃出到彎曲線23的切線。將被彎曲的輪廓線17通過預先計算的交叉點切割。切割的結果是線的一部分將轉動，并停止在三維表面19上。將切線作為旋轉軸并且將預先切割的將被彎曲的曲線部分作為形狀產生旋轉面。所述旋轉面與三維表面19交叉。結果將是彎曲的輪廓線17停止在三維表面19 上。最后，網格模型輪廓適配彎曲幾何形狀。如圖8所示，這個步驟的結果是三維網格模型51。d)生成彎曲部件的實體模型基于三維網格模型51并且如圖9所示，使用已知的CAD工具獲得實體模型53。在我們描述的優選的實施方式中，已經使用形成本發明主題的方法，用于產生如航空結構的桅桿的C形簡單部件的模型，但是本領域的技術人員將十分明白，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計的復合材料部件。該方法也適用于諸如在圖10中顯示的由4個C-形部件和兩個平面部件組裝而成的復雜部件。在這種情況下，步驟a)，b)和c)應用于每一個簡單部件，在步驟e)中各部件的三維網格模型被“組裝”，并且在步驟f)中，獲得復雜部件的實體模型。這個實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整體并且不僅僅對于它們的單獨的每個，必須符合堆疊規則，使得它們的設計更快和更強大。該方法可以通過軟件實現，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。包括在權利要求的范圍內的那些修改可以被引入改進的優選實施方式。
權利要求
1.一種設計復合材料的彎曲部件的方法，使用計算機輔助CAD系統，其特征在于，所述方法包括以下幾個步驟a)提供部件的二維網格模型(11)；b)產生部件的三維外表面(19)；c)通過適配二維網格模型(11)到三維外表面(19)的幾何形狀，獲得三維網格模型 (51)；d)生成彎曲部件的實體模型(53)。
2.根據權利要求1所述的設計復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) 而發生，所述彎曲線關于彎曲表面(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.根據權利要求1-2任一項所述的設計復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)對應于與部件的外層相鄰的假想表面。
4.根據權利要求1-2任一項所述的設計復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)對應于與陰模(37)相鄰的假想表面。
5.根據權利要求1-4任一項所述的設計復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構的簡單部件。
6.根據權利要求5所述的設計復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.根據權利要求1-4任一項所述的設計復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或更多個簡單部件組裝的復雜部件，并且所述方法包括對每個簡單部件應用步驟a)、b)和c)，以及組裝每個部件的三維網格模型的步驟e)，以及獲得所述復雜部件的實體模型的步驟f)。
8.一種存儲程序指令的數據媒體，其特征在于，當所述程序指令在計算機上與CAD系統一起執行或者包含在CAD系統中時，引起形成權利要求1-7任一項的主題的所述方法的執行。
全文摘要
本發明公開一種用于復合材料的折疊部件的先進設計的計算機輔助方法，使用計算機支持的CAD系統，其包括以下步驟a)提供部件的二維結構模型(11)；b)生成部件的三維外表面(19)；c)獲得的三維結構模型(51)，通過相對于折線(23)折疊二維模型(11)的圖案的輪廓線(17)，適配二維結構模型(11)到三維外表面(19)的幾何形狀，所述折線(23)關于類似于設置用于折疊部件的工具的折疊表面生成；和d)生成折疊部件的實體模型(53)。本發明還涉及當在計算機上與CAD系統一起執行時實現該方法的一種計算機程序。
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 優先權日2008年8月18日
發明者勞爾·布爾戈斯加列戈, 安東尼奧·德朱利安阿瓜多 申請人:空客運營有限公司