第l5卷第7期2OO3年7月计算机辅助设计与图形学学报JOURNALOFCOMPUTER—AIDEDDESIGN＆COMPUTERGRAPHICSV01．15．No．7July，2003复合材料弯管纤维缠绕路径和机器路径的CAD李海晟梁友栋鲍虎军‘(浙江大学数学系杭州310027)(浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310027)(中国计量学院数学系杭州310034)摘要提出用于缠绕弯管的纤维路径和机器路径设计的数学原理和方法，并开发了一套设计和制造复合材料弯管的CAD系统．该系统的主要功能如下：(1)设计满足所有缠绕技术要求的稳定纤维路径；(2)生成用于有限元分析的层叠网格数据；(3)生成用于四轴缠绕机的控制数据；(4)纤维路径和机器路径的实时三维仿真．设计出的纤维路径不会产生打滑、架桥等现象，分布均匀．关键词复合材料；纤维缠绕；纤维路径；机器路径；CAD中图法分类号TP391CADfortheFiberPathandMachinePathofCompositeElbowsLiHaisheng1,2,3LiangYoudonga)BaoHujun)(DepartmentofMathematics，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027)(TheStateKeyLaboratoryofCAD&CG，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027)(DepartmentofMathematics，ChinaInstituteofMetrology，Hangzhou310034)AbstractThispaperpresentsmathematicalprinciplesandmethodsforthefiberpathandmachinepathdesignofcompositeelbows，basedonwhichaCADsystemisdeveloped．Themainfeaturesofthissystemare：(1)Designingstablefiberpathsfulfillingallthetechnicalrequirementsforfilamentwinding；(2)GeneratinglaminatedataforFiniteElementAnalysis；(3)Generatingcontroldataforfour-axiswindingmachine；(4)Real—timesimulatingthefiberpathsandmachinepaths．Thefiberpathsdesignedbythissystemarestable，non—bridginganduniformlycoverthemandre1．Keywordscomposites；filamentwinding；fiberpath；machinepath；CAD引言与传统材料相比，复合材料因强度高、耐腐蚀、耐高温以及重量轻等显著优点，在航天、化工和体育运动等各领域被广泛应用．纤维缠绕是一种把浸有树脂的纤维包在芯模上的加工方法，加工过程为纤维缠绕机用吐丝嘴控制浸有树脂的纤维束使之沿预先设计的路径缠绕在旋转的芯模上，并通过多层覆盖形成复合材料制品．由于一次成型，产品具有优异的强度重量比，缠绕设备简单易实现，纤维缠绕已经成为一种重要的复合材料加工技术J．纤维缠绕技术虽始于20世纪40年代，但20世纪80年代以前的缠绕机均以机械方式控制吐丝嘴原稿收到日期：2002—05—14；修改稿收到日期：2002—07—23．本课题得到国家杰出青年自然科学基金(69925204)和国家创新群体科学研究基金(60021201)资助．李海晟。男，1968年生，博士，主要研究方向为纤维缠绕CAD，CAGD等．梁友栋。男，1935年生，教授，博士生导师，主要研究方向为纤维缠绕、CG，CAGD等．鲍虎军。男，1966年生，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为CG，CAGD，虚拟现实等．维普资讯http://www.cqvip.com7期李海晟等：复合材料弯管纤维缠和芯模的运动，将计算机控制系统引入到缠绕机是最近20年的事．随着计算机在缠绕机中的应用，人们开始探索用于纤维缠绕的CAD／CAM技术——纤维路径以及对应的机器路径(吐丝嘴和芯模的运动轨迹)的辅助设计．目前，国际上已有多个纤维缠绕CAD软件，但绝大部分软件只能设计和生产简单的轴对称缠绕部件；对于非轴对称缠绕部件，如弯管和T形管等，只有CADFILJ和CADWIND两个软件能够设计纤维路径，它们都采用三角片逼近的方法，这种近似方法设计出的纤维路径是否稳定和能否均匀覆盖弯管需要开机试缠才能检验，这其实是一种尝试一修正方法．我国的纤维缠绕技术及其CAD技术与国际先进水平差距较大，生产的缠绕制品几乎都是技术含量较低的轴对称部件J，主要是管道．而对于管道的配件——弯管，都以机械及手工方式生产，管件外观粗糙、强度低、成本高，性能难以保证．制约玻璃钢(FiberReinforcedPlastic，FRP)管道，尤其是中高压管道发展的主要因素并不是管道的性能，而是管道的配件跟不上，成为我国FRP工业发展的瓶颈．哈尔滨FRP研究所、南京航空航天大学和浙江大学共同承担了国家“九五”...
