基于CATIA二次開發的T形管纖維纏繞研究

韋躍峰，韓振宇，富宏亞，路 華，鄭玉權

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)(2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

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基于CATIA二次開發的T形管纖維纏繞研究

韋躍峰1，韓振宇2，富宏亞2，路 華2，鄭玉權1

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)(2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

本文提出了一種基于CATIA二次開發的T形管軌跡規劃方法，首先對過渡區域的纏繞，之后對主管與支管進行纏繞。通過利用測地理論與非測地線理論針對T形管不同區域設計出不同的纏繞線型，完成整體纏繞。通過CATIA建模軟件建立T形管纖維纏繞機模型，并通過CATIA二次開發建立運動仿真系統，完成了對纖維纏繞可行性的論證。相對于傳統的纏繞方法，此法方法對于其他異形件的纖維纏繞也有借鑒意義。

T形管；CATIA二次開發；纏繞仿真

1　引 言

纖維纏繞技術是加工纖維復合材料制品的重要技術之一，纏繞理論較為成熟。纖維纏繞制品可以大幅度減輕產品重量，提高結構的抗蝕性能和抗疲勞強度等，提升產品綜合性能[1]。纖維纏繞技術廣泛應用于衛星、火箭、飛機、直升飛機重要結構部件等航空航天領域，同時也用來生產運輸管道、天然氣瓶、儲氣罐、體育用品等民用產品[2]。目前國內大多數纖維纏繞技術是針對于軸對稱部件的，對于應用空間越來越廣的非軸對稱部件的研究較少。

為了滿足非軸對稱部件的纏繞需求，本文針使用較多的T形管件進行了纖維纏繞方面的研究，建立了六自由度專用纏繞機模型。基于對CATIA軟件的二次開發，設計了專用的纏繞線型，完成了軌跡規劃、后置處理和運動仿真，證明了方法的可行性并為其他異形件的纏繞提供了參考。

2　纏繞軌跡規劃

2.1T形管的芯模形式

T形管是一種較為復雜的非軸對稱部件，由主管和支管構成，如圖1所示。纏繞軌跡的規劃直接受到芯模的結構影響，合理的芯模結構不僅便于軌跡規劃的實施，也利于提升纏繞部件的質量，如圖2所示。常見的T形管由兩個直徑相等的圓柱相貫而成，相交區域可以是球形過度或是光滑過度。考慮到有光滑過度的T形管具有較強的結構穩定性和較低的阻尼特性，本文采用此種T形管進行相關研究。

2.2T形管纏繞線型設計

目前使用比較普遍的纏繞方法主要有參數化與網格化兩種[3]，這兩種方法都是以測地線或非測地線為理論基礎[4-5]。測地線方法使纖維纏繞變得較為簡單并且纏繞最為穩定，但纏繞軌跡的固定使得纖維規劃確受到較大的限制，無法滿足異形件等纏繞需求；非測地線方法需要依據大量精確參數方程，雖然計算復雜，但是這種方法更具有靈活性，使得規劃的軌跡更加合理，可以滿足大部分非軸對稱和基本全部軸對稱件的纖維纏繞。

圖1　T形管三維模型

圖2　T形管平面圖

通過利用上述兩種方法的優點，在軌跡點計算過程中，同時采用測地線與非測地線兩種方法進行分析，選取其中最優解。本文充分利用CATIA軟件強大的結構建模、分析等功能，同時使用軟件提供的開發模塊進行二次開發。通過創成式曲面設計模塊繪制的T形管芯模，直接以芯模表面為分析對象計算軌跡點，由于模型已經包含了我們所需要的所有信息，因此無需過多復雜的參數方程，也不需要對芯模表面進行網格化。

大多數線型研究都是針對圓柱部分的，以過度部分為主要研究對象的資料較少。由于過渡部分的特殊性，只依靠主管與支管之間的過渡線實現完整覆蓋很困難。本文首先針對過渡區域進行線型設計，在實現過渡區域整體纏繞之后再對主管與支管進行纏繞，從而達到T形管的整體纏繞。

2.3線型初始點的確定

纏繞軌跡可以被分解成若干軌跡，每條軌跡的起始點分別在主管的兩端或同在一端。在線型設計時首先規定每條軌跡的初始點，為了滿足過渡區域的纏繞完整性和均勻性，本文初始點按照圖3所示，進行設定。過Z與X軸做平面與芯模相交于曲線AB， Pn點為軌跡線段的初始點，d為初始點間距，θ為初始纏繞角。P1點為支管端面輪廓線與AB的交點，選取此位置既有利于過渡區的布滿，又便于后期對支管的纏繞。

圖3　纏繞線型初始點

圖4　落紗點的確定

初始點及纏繞角度確定后，按照圖4所示，計算下一個落紗點。在芯模S1上取一落紗點Pn，過Pn作曲面在此點處的切平面St，Jf是下一落紗點的基準向量，由Pn與Pn-1點連線在St上的投影產生。過Pn作曲面S1的法向量n，由芯模內指向外部為正方向，指向相反則為負方向。將Jf繞點Pn沿逆時針方向轉動一個角度φ，此時可以得到一個新的方向，此方向即是出紗嘴的運動方向。在此方向上取Ff點，兩點相距為步長l，將Ff點沿-n的方向投影在曲面上，投影點Pn+1為下一個落紗點。

在落紗點計算過程中，需要判斷在Pn+1處是否符合纏繞約束條件，若不符合要求，通過增加或減小φ角進行重新計算。在滿足條件后，我們會獲得下一個落紗點可調整的角度范圍，計算點與上條軌跡在模型外表面投影的最短距離，當距離滿足要求時計算下一落紗點。若不滿足，則需要更換纏繞線型。反復進行這一過程，便可得到需要的一系列落紗點。將點依次連接便得到一條纏繞軌跡線段，再將所有軌跡線段按照先后順序連接便得到完整的纏繞軌跡。

所有的點的信息以及數據都通過CATIA開發平臺從模型上直接獲取，獲取數據方便快捷，極大簡化了計算過程，同時更為準確和直觀。

2.4纏繞線型的確定

通過仿真驗證，如圖5所示的4種纏繞線型可以滿足多數尺寸的此類T形管過渡區域的完整纏繞。線型1與線型2在支管上進行過渡，線型3與線型4在主管兩端進行過渡。為了控制線型的均勻性以及節省纖維材料，當線型延伸出工件實際需要尺寸之外時，依據非測地線原理讓線型按統一纏繞角度進行規劃，在最短的軌跡內完成線型過渡。

圖5　纏繞線型

3　軌跡后置處理

3.1纏繞設備建模

傳統的纏繞機多采用懸臂式結構，通過調整懸臂的長度來改變出紗嘴位置。當纏繞的部件較小時，懸臂較短，因此懸臂變形對纏繞質量影響較小；當纏繞的部件較大時，懸臂較長，此時在自身重力及纖維張力的作用下懸臂結構變形較大，對纏繞精度產生較大影響。采用龍門式結構設計，可以降低機床結構變形，提高纏繞質量。采用龍門式結構可以有效的降低出紗嘴與芯模之間的干涉問題，便于出紗嘴位置的調整，運動靈活性較大。

為了避免纖維材料多次旋轉對纏繞質量產生影響，采用了兩軸回轉工作臺來調節芯模的姿態。主管與支管都是采用連續的回轉纏繞方式，避免了傳統擺動式纏繞所帶來的弊端，便于較大尺寸T形管的纏繞。針對上述所述，本文建立了T形管專用纏繞機模型，如圖6所示。纏繞機共有6個自由度：A、B、C 為3個移動副，D、E、F為3個轉動副。H代表的是纖維張力系統。

本文結構設計主要是針對干法纏繞，在進行纖維纏繞時，通過調節A、B、C、D這4個運動副，可以改變出紗嘴的位置；調節E、F這2個運動副，可以改變芯模的姿態。通過兩者的協調配合，完成纖維纏繞運動。

圖6　纏繞機結構圖

3.2數據后置處理

根據纏繞機結構建立機床空間坐標系，如圖7所示。首先建立纏繞機床基座坐標系{O0}，將機床基座起始點規定為原點，令基坐標系Z0軸、Y0軸、X0軸分別平行于纏繞機床的Z軸、Y軸、X軸，軸線之間的相互關系滿足右手定則。

圖7　機床空間坐標系

連桿i坐標系各軸的確定方法：Z軸Zi與關節軸i共線或是與連桿i的運動方向平行，指向如空間坐標所示；X軸Xi與連桿i和連桿i+1的公垂線重合，方向有關節i指向關節i+1；Y軸Yi由右手定則來確定。坐標系i的原點Oi取在軸線Zi和Xi的交點上，若軸線Zi與Zi+1平行時，將坐標原點取在di=0處，其中di為兩相鄰連桿之間的偏置。{O1}、{O2}、{O3}為三個移動坐標系， {O4}、{O5}、{O6}為三個轉動坐標系。因為轉臺Z軸與T形管Z軸垂直相交，因此O5與O6重合，同理O3與O4重合。

根據纏繞機床設定的坐標系，將相應的連桿參數按照如下要求進行定義：ai-1是從Zi-1到Zi沿Xi-1的測量距離；αi-1是從Zi-1到Zi繞軸Xi-1旋轉的角度；di是從Xi-1到Xi沿Zi的測量距離；θi為從Xi-1軸到Xi軸需要繞Zi軸旋轉的角度。

如圖8所示，L為T形管上一段纏繞軌跡，P1為軌跡上一個落紗點，Pn是對應的出紗點，P1Pn長度為懸紗長。將P1Pn分別繞Y軸、X軸轉動，通過空間幾何變換，使線段P1Pn的方向向量垂直于絕對坐標系的XOY平面。

將規劃好的軌跡點投影在T形管坐標系XOZ平面上，如圖9所示。下面以T形管繞 Y軸轉動為例，進行相關運動說明。將線段P1Pn繞Y軸轉動，使投影在XOZ平面上的線段轉到P11Pn1的位置，平行于Z軸，可以計算出轉動角度θ3。按照相同的方法計算下一軌跡點，這樣就獲得了連續變化的轉動角度。

圖8　落紗點位姿變化

圖9　轉動角度計算

(1)

(2)

由龍門結構推導出紗嘴位姿：

(3)

(4)

(5)

到此我們已經求得了3個移動自由度需要的控制變量值d1、d2、d3。通過式1與式3中的第2列求取3個轉動自由度，求解公式如下：

(6)

進一步計算結果為：

(7)

通過上式計算，每個轉角可以解出兩個數值，根據纏繞軌跡的纏繞方向來確定需要的解。經過計算使出紗嘴的運動方向與所求落紗點的方向向量方向相同，這樣就保證了纖維按照落紗點準確的纏繞在T形管上。

4　纏繞仿真分析

基于上述纏繞理論及計算結果，在Visual C++ 2005開發平臺上，利用CAA工具對CATIA進行二次開發[6-7]。實現了T形管的纏繞軌跡的自動規劃，對軌跡數據的后置處理，模擬T形管的纏繞過稱，如圖10所示。通過運動仿真可以更加直觀地模擬纖維的纏繞過程，及時發現存在的問題，避免在實際纏繞時出現類似問題。采用此方法設計的纏繞線型纏繞結果如圖11所示，此時未對主管與支管進行環繞纏繞。

圖10　纏繞仿真過程

圖11　纏繞仿真結果

5　結 語

本文通過CATIA軟件二次開發，實現了T形管纖維纏繞的整體過程，包括前期的軌跡規劃，中期的軌跡后置處理以及后期的纏繞運動仿真。

針對具體尺寸的T形管進行了實際纏繞仿真驗證，證明了纏繞理論的可行性與準確性。此種研究方法同樣適用于其他結構件的纏繞研究應用，相比傳統方法可以更加有效地進行纏繞線性規劃。由于前期軌跡規劃以過渡區域為主，因此后期要對主管與支管再次纏繞，導致局部的纖維層較厚，需要進一步的解決。

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[7]胡挺，吳立軍．CATIA二次開發技術基礎[M]．北京：電子工業出版社．2006．

The Study on Planning Method for T Tube Based on Secondary Development of CATIA

WEI Yuefeng1,HAN Zhenyu2,FU Hongya2,LU Hua2,ZHENG Yuquan1

(1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，the Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)(2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001 )

This paper studies a new kind of trajectory planning method for the T tube winding by the secondary development of CATIA，first achieve coverage of the transition region then manage the main tube and branch tube.We design several winding patterns for the complete surface coverage based on the geodesic theory and the non-geodesic theory.A specialized filament winding machine was built with CATIA software .The correctness of the theory was proven by the simulation system developed by the secondary development of CATIA software.

T tube;secondary development of CATIA; motion simulation

2015-09-10)

韋躍峰(1989-)，男，吉林人，碩士，研究實習員。研究方向：從事光譜儀器結構設計及復合材料力學性能測試方面研究。E-mail：wyflovezpp@126.com.

韓振宇(1978-)，男，山東淄博人，博士，副教授，博士生導師。研究方向：纖維纏繞、自動鋪放。E-mail:hanzy@hit.edu.cn.