用于设计具有弯曲表面的复合材料部件的方法.pdf

本发明涉及一种用于设计具有弯曲表面(65)的复合材料部件的方法，所述具有弯曲表面(65)的复合材料部件与多个增强元件连接，其中3D织物模型的设计包括以下步骤：将3D的所述弯曲部件的所述表面(65)在2D中展开，产生平面表面(63)，并且2D中的几何基准(71)与所述表面在3D中的所述基准(51)相同；将在2D中展开的所述表面(63)与3D中的所述表面(65)以及它们的几何基准(71、51)结合，使得在它们中的一个的任何行为都反映在另一个中；在2D中展开的所述表面(63)中，初始计算所述织物模型；在2D中展开的所述表面(63)中或在3D中的所述表面(65)中，进行所述织物模型的任意后续修改。

1.  一种用于设计具有弯曲表面(65)的复合材料部件的方法，多个在明显垂直于所述弯曲表面的平面中取向的增强元件被连接至所述具有弯曲表面(65)的复合材料部件上，所述方法包括设计限定所述织物的轮廓的3D织物模型，所述织物必需被层叠，以由涉及所述具有弯曲表面(65)的部件的几何基准和涉及所述增强部件的几何基准成型所述部件，其特征在于，所述3D织物模型的所述设计包括以下步骤：
-所述弯曲部件的所述表面(65)在2D中展开以产生平面表面(63)，并且在2D中的几何基准(71)与在3D中的所述弯曲表面的所述基准(51)相同；
-将在2D中展开的所述表面(63)与3D中的所述弯曲表面(65)以及它们的几何基准(71、51)结合，使得在它们中的一个的任何行为都反映在另一个中；
-在2D中展开的所述表面(63)中，初始计算所述织物模型；
-在2D中展开的所述表面(63)中或在3D中的所述弯曲表面(65)中进行所述织物模型的任意后续修改。

2.  根据权利要求1所述的用于设计具有弯曲表面(65)的复合材料部件的方法，其特征在于，通过以2D域和3D域为各个增强部件建立复合表面(61)来进行所提到的元件之间的所述结合。

3.  根据权利要求1所述的用于设计具有弯曲表面(65)的复合材料部件的方法，其特征在于，所述具有弯曲表面的部件为管状，并且所述增强部件包括横向构架和纵向纵梁。

4.  一种数据介质，在所述数据介质中存储有程序命令，其特征在于，当所述数据介质在计算机中与CAD系统或CAD系统包括在其中的系统一起执行时，所述数据介质导致权利要求1-3中任一项所述的方法目标的实现。

用于设计具有弯曲表面的复合材料部件的方法
发明领域
本发明涉及用于设计具有弯曲表面的复合材料部件的方法，并且更具体地，用于设计要将增强元件如横向构架和纵向纵梁连接于其上的具有弯曲表面的复合材料部件如管状部件的方法。
发明背景
在若干工程领域中存在增加由复合材料制成的部件的数量的强烈趋势。例如，在航空领域中，机翼蒙皮、被覆面板(coating panel)和机身部分是可以使用复合材料制造的部件。
这些部件通常是用具有以不同取向排列的碳纤维的复合材料织物(fabric)的层压体制成的。
这些部件通过复杂的方法设计，所述方法包含计算步骤、用于设计织物模型和用于分析其可生产性的步骤，以及当将修改引入这些步骤中的任一个时的反馈回路。
作为计算领域专家的工程师使用计算程序来计算部件在给定负荷下的性能，而设计工程师使用CAD系统由计算的结果所提供的层压体规格来产生织物模型，即限定形成层压体的织物的位置和轮廓。
即使具有CAD系统功能，在CAD系统中产生上述织物模型的方法也是冗长的方法，其涉及大量的重复性人工劳动，具有随后失败的风险，特别是在弯曲部件的情况下，因为限定织物的轮廓要确保符合特定要求是非常复杂和费力的。
尽管根据使用的CAD系统可以或多或少地简化方法，但是当设计者面对其几何计算缓慢的复杂支持表面(support surface)时，产生部件的织物模型的时间可能过长。设计者可能失去他的或她的专心，从而由于CAD系统在几何运行计算中产生的停工期而造成更多的错误。这添加了以下事实，即在某些情况下如在管状表面中，织物模型可能如此复杂，以致于在数小时的工作之后，归因于由三维空间中几何交叉所导致的混乱而没有已完成工作的清晰图像。
本发明意在解决此问题。
发明内容
本发明的一个目的是减少目前用于设计具有弯曲表面的复合材料部件的织物模型的时间。
前述和其它目的通过提供一种在设计具有弯曲表面的复合材料部件的过程中执行设计织物模型的阶段的方法来实现，其中多个在明显垂直于所述弯曲表面的平面中取向的增强部件被连接到所述具有弯曲表面的复合材料部件上，所述方法通过以下步骤进行：
-弯曲部件的表面在2D中展开，产生平面表面，并且在2D中的几何基准(reference)与3D中的弯曲表面的基准相同。
-将在2D中展开的表面与3D中的弯曲表面以及它们的几何基准结合，使得在它们中的一个的任何行为都反映在另一个中。
-在2D展开的表面中，初始计算织物模型。
-在2D展开的表面中或在3D的弯曲表面中，进行织物模型的任意后续修改。
本发明的另一个目的是提供能够与CAD系统一起使用以实现上述模型的计算机工具。
该目的通过在其功能中允许进行以下行为的工具来实现：
-将在用于设计织物模型的CAD系统中使用的相同的几何元件在2D中展开。
-通过与2D域(domain)和3D域的组合表面将2D和3D环境结合。
-利用由在任一所述域中的工作所产生的信息来更新CAD系统。
本发明的其它特征和优点将从以下与附图一起示出其目的的实施方案的详细描述中变得明显。
附图说明
图1显示示出用于设计复合材料部件的方法的框图。
图2显示示出在现有技术中用于产生织物模型的方法的框图。
图3显示示出根据本发明的用于产生织物模型的方法的框图。
图4显示管状弯曲表面与结构实体的组件的相交(intersection)。
图5显示根据本发明的用于产生织物模型的方法的步骤，其中产生3D基准。
图6显示根据本发明的用于产生织物模型的方法的步骤，其中将弯曲的支持表面在2D中展开，产生2D环境的元件中的一个。
图7显示使用根据本发明的用于产生织物模型的方法使3D基准在2D中的展开。
图8显示根据本发明2D和3D基准之间的结合。
图9显示在本发明中使用的2D和3D环境之间的转换实体。
图10显示根据本发明得到在2D中的几何基准。
图11和12显示通过使用本发明的方法在2D中和在3D中产生的织物模型。
具体实施方式
复合材料部件的设计是复杂的方法，如图1中所示，其包括第一阶段11，在该阶段，考虑到层压体必须支持的负荷的情况下，确定层压体的基本数据；第二阶段13，在该阶段，设计织物模型；第三阶段15，在该阶段，分析设计的可生产性；第四阶段17，在该阶段，设计可能被修改，在这种情况下，重复前述对应步骤以进行对应的调整；和最终阶段19，在该阶段，得到制造部件所需的信息。
在本方法的上下文中，本发明涉及使用CAD系统来设计弯曲表面部件的织物模型的阶段13。在已知技术中，这个阶段按照图2的方案进行。
这个阶段的输入为：
-弯曲部件的表面的几何形状21，在该表面上将支持织物，其将被命名为支持表面。
-结构实体的表象几何形状(representation geometry)23，应当理解所述结构实体是将连接到弯曲部件上的部件，并且在织物模型的设计中必须考虑它们的位置。所述结构实体为例如，弯曲部件的增强元件如在航空结构体中使用的构架或纵梁，并且其表象几何形状包含截断支持表面的平面或其它表面。
-层压体的规格25，向设计者说明织物的轮廓线必须如何位于支持表面上。
基于所述几何形状21、23，在第一步27中得到产生织物模型所必需的基准，所述基准基本上由结构实体与支持表面的相交线和与其平行的曲线构成。
在第二步29中，从所述基准进行织物模型的3D设计，即限定形成部件的层压体的不同织物的轮廓。
在根据本发明的方法中，用于设计织物模型的阶段通过依照图3的方案进行，下面将根据本发明的应用于由横向构架和纵向纵梁增强的管状弯曲部件的一个实施方案来详细解释图3的方案。
启动数据(starting data)与在已知技术中使用的那些相同：支持表面的几何形状21、结构实体(即，构架和纵梁)的几何形状23以及层压体的规格25。
在第一步31中，通过以下步骤产生3D基准：
a)建立结构实体的平面与支持表面之间的相交线。这将为每个结构实体产生相交曲线51(参见图4)。
b)由于在前述步骤中所产生的每个相交线上有许多凸起的表面，使得在相交线本身作为脊柱(spine)的情况下，扫描一行。所得到的表面53可以垂直于支持表面或与渐高的结构实体的平面重合(参见图5)。
在第二步33中，通过以下步骤使弯曲表面在平面中展开，即在2D中展开：
a)建立支持表面的外部轮廓55，并且建立展开平面(developmentplane)56(参见图6)。
b)使用基准点54在展开平面56上展开轮廓57(参见图6)。
在第三步35中，通过以下步骤将基准3D展开至2D：
a)在展开平面56上展开结构实体与支持表面的全部相交线。
b)由于在前述步骤中展开的每个相交线上有许多凸起的表面59，使得采用被展开的曲线本身作为脊柱的情况下，扫描一行。所得到的表面将垂直于展开平面56。这些表面还可以通过采用展开平面56的法线作为方向来拉伸(extrusion)展开的曲线而得到(参见图7)。
在第四步37中，通过以下步骤将各个3D基准与其对应的2D基准结合：
a)在3D和2D中得到的凸起表面53、59之间成对建立接合点。结果是复合表面61具有两个域，一个在3D中而另一个在2D中(参见图8)。
b)通过填充在步骤b)中展开的外部轮廓，建立平面表面63，在其上支持新表面的支持表面复制品65，以及进而截断平面表面63和支持表面复制品65的曲线67。相交点69将是改变2D域和3D域之间基准的开关(switch)。在包含于复合表面中的两个域以外，将距点69最近的一个表面激活。如果需要在2D中处理(working)，则计算与平面表面63的相交。如果需要在3D中处理，则计算与支持表面复制品65的相交。该点69是几何基准，从而导致在建立织物的轮廓的同时选择一个域或另一个(2D或3D)作为产生实体(generating entity)。如果需要在平面中处理，则将复合表面61的2D域分离。如果需要在曲线中处理，则将复合表面61的3D域分离，从而用支持表面复制品65代替平面表面63(参见图9)。
c)在2D中建立基准71(参见图10)。
在第五步39中，在2D中建立织物的轮廓75(参见图11)。
在第六步41中，使织物模型进入3D环境中(参见图12)。
在任选的第七步41中，可以在2D环境中和在3D环境中修改织物模型。
如从前述推论的，根据本发明的方法的基本原理包括：为了分别在3D中和在2D中产生基准51、71，并且能够根据设计者的需要从一种环境变为另一种环境，在3D和在2D环境中准备相同的启动信息。
为了实现本方法，将一系列计算机工具与常规CAD系统或包括常规CAD系统在其中的系统一起使用，所述计算机工具进行上述操作并且特别地，涉及如下的那操作：
-在2D中展开弯曲表面的几何形状和结构实体的几何形状。
-通过激活3D域或2D域来使用上述复合表面，以在任一个中处理。
-用从所述域的任一个中处理得到的信息更新CAD系统。
在所述术语的严格数学意义上，本发明可用于“可展开的”弯曲表面和“不可展开的”弯曲表面。在此意义上并且如本领域技术人员应当理解的，在2D环境的产生中，可以将“平坦化”“不可展开的”表面的已知方法中的一种用于“不可展开的”表面的情形。
可以将包含于由后附权利要求限定的范围内的那些修改引入刚被描述的优选实施方案中。