Автореферат (Автоматизация проектирования процесса намотки авиационных конструкций на основе применения локально-аппроксимационных сплайнов), страница 4

Итак,оптимальный закон движения нитераскладчика (оптимальный в смыслеувеличения производительности процесса за счет сокращения времениизготовления конструкции) находится в результате решения задачимногошаговой оптимизации, которая может легко быть решена методомдискретного динамического программирования:) )J (x, u) → min,x j +1 = F ( x j ,u j ) , j = 0,1,..., N − 1;x j ∈ X 1 ∩ X 2 ∩ X 3 ∩ X 4 ; u j ∈U j ( x j ).Функции Беллмана для данной задачи многошаговой оптимизациинаходятся из соотношений:18BN (x N −1 ) =Bk (xk −1 ) =minminu N −1∈U N −1 ( x N −1 )J N −1 (x N −1 , u N −1 ) ;{J k −1 (xk −1, u k −1 ) + Bk +1 (xk )}, k = 1,..., N − 1.u k −1∈U k −1 ( xk −1 ))На рисунке 3 показана оптимальная траектория движениянитераскладчика при укладке одного витка ленты на эллиптическийцилиндр.Таким образом, в третьей главе разработана обобщенная методикапостроенияоптимальнойтраекторииизаконадвижениянитераскладывающего механизма станка с учетом структуры ленты иописанных ограничений.

Отличительной особенностью и важнымпреимуществом разработанной методики является то, что траектория изакон движения могут быть построены для существенно более широкогокласса поверхностей – поверхностей зависимых сечений с криволинейнойобразующей.а)б)Рисунок 3- Оптимальная траектория движения нитераскладчика1 – положение нитераскладчика; 2 – крайние нити ленты;3 – поверхность оправки; 4 – лента на оправке.В четвертой главе рассмотрены задачи разработки и реализацииCAD/CAM/CAE системы для изготовления конструкций из волокнистыхкомпозиционных материалов методом намотки.

Приведены общаяархитектура системы, назначение ее функциональных блоков, показаныпреимущества системы.CAD/CAM/CAEсистемаWindingCADпредназначенадлямоделирования процесса намотки сложных конструкций из волокнистыхкомпозиционных материалов. Уникальной отличительной особенностьюсистемы является унифицированное геометрическое моделированиеповерхностейтехнологическихоправок,принадлежащихклассуповерхностей зависимых сечений с замкнутой криволинейнойобразующей, посредством аппроксимации вектор-функции такойповерхности дважды непрерывно дифференцируемой вектор-функциейповерхности, построенной по точечному каркасу сечений даннойповерхности оправки.19Система позволяет единообразно моделировать «сухую» и «мокрую»намотки посредством гладкого отображения плоской односвязнойобласти в трехмерное Евклидово пространство, при котором лента наповерхности представляет собой образ прямоугольника.В системе возможно проводить расчет оптимальной траектории изакона движения во времени раскладывающего механизма намоточногостанка с соблюдением комплекса условий, возникающих из возможностейнамоточного оборудования и сохранения натяжения нитей нанитераскладчике.Навыходесистемывыполняетсягенерацияпрограммного кода для намоточных станков с ЧПУ с учетом их реальныхкинематических схем.Общая функциональная схема CAD/CAM/CAE системы WindingCADпредставлена на рисунке 4.

Данная система разработана на языке VisualC++ с применением объектно-ориентированного подхода. Графическийинтерфейс разработан с применением библиотеки OpenGL.Система WindingCAD предназначена для работы в операционнойсистеме MicrosoftWindows, поэтому отдельные ее модули используютпреимуществаграфическогоинтерфейсаMicrosoftWindows.Дляпредставлениягеометрическойиуправляющейинформациииспользуются формы, таблицы, графики, а также возможноститрехмерного графического моделирования геометрических объектов,поддерживаемые библиотекой OpenGL (рисунок 5).

Обмен даннымимежду отдельными модулями системы осуществляется через сохраняемыев памяти компьютера файлы.Рисунок 4 - Общая функциональная схема системы WindingCAD.20Рисунок 5 - Основное рабочее окно системы WindingCAD свспомогательным окном задания параметров и построениятехнологической части оправки.В приложении представлено свидетельство о государственнойрегистрации программы для ЭВМ №2012615308 «Программа WindingCADдля моделирования процесса намотки сложных криволинейныхконструкций из волокнистых композиционных материалов, применяемыхв авиационной и ракетно-космической технике».21ЗАКЛЮЧЕНИЕВ диссертационной работе решены теоретические и прикладныепроблемы разработки научно-методического обеспечения автоматизациипроцесса намотки конструкций из композиционных материалов на основеприменения локально-аппроксимационных сплайнов.

Разработанноенаучно-методическое обеспечение включает: геометрические моделипроцесса намотки, учитывающие реальную структуру ленты иединообразиеформированиякриволинейнойповерхноститехнологической оправки, а также методику определения оптимальнойтраектории движения раскладывающего механизма намоточного станка сЧПУ.Использование основных результатов работы позволяет существенноулучшить технологию изготовления конструкций из волокнистыхкомпозиционныхматериаловскомплексомнапередзаданныххарактеристик при условии обеспечения высокого уровня автоматизации:• сократить сроки проектирования секций отсеков фюзеляжа, сопелдвигателей, воздуховодов на 10-12% по сравнению с ручнымпроектированием.• снизить стоимость изготовления на 6-8% за счет уменьшения затратна проектирование и оптимизацию технологического процессанамотки по времени.Это достигается за счет применения максимально полныхматематических моделей, описывающих процесс укладки ленты наповерхность оправки с учетом целого ряда условий и ограничений.Выполненные в диссертационной работе исследования позволилиполучить следующие теоретические и практические результаты.1.Разработанобобщенныйматематическийаппаратдлямоделирования технологических процессов намотки и выкладкиконструкцийизволокнистыхкомпозиционныхматериалов.Отличительной особенностью предложенного аппарата являетсяуниверсальность его применения.

Основным преимуществом являетсяиспользование локально-аппроксимационных вместо интерполяционныхкубических сплайнов, что позволяет избавиться от достаточно большогоколичества коэффициентов разложения и, соответственно, от зависимостивремени вычислений от мелкости разбиения, что существенноувеличивает скорость расчета.2. Теоретически обоснована и разработана методика геометрическогомоделирования процесса укладки ленты на сложную криволинейнуютехнологическую поверхность оправки.

Разработан алгоритм полученияявных приближенных формул локально-аппроксимационных сплайновдля расчета параметров процесса намотки. Важным преимуществомразработанной методики введения локальной системы координат наповерхности является то, что число ненулевых слагаемых в выражениях22для параметрических функций не превосходит 16, при этом устраняетсягромоздкий вид сплайнов.3. Разработана методика единообразного задания достаточноширокого класса поверхностей– дважды непрерывно дифференцируемыхповерхностей зависимых сечений. Методика позволяет с единыхметодологических позиций оценить использование переменной замкнутойкриволинейной образующей, которая в процессе изменения остаетсяинцидентнойплоскости,параллельнойкоординатнойплоскостиповерхностей зависимых сечений.4. Разработана методика построения оптимальных траекторий изаконов движения нитераскладывающего механизма намоточного станкас ЧПУ для увеличения производительности процесса намотки.Применение этой методики позволило впервые производить учетограничения на скорости и ускорения рабочих органов станка, чтообеспечивает стабильность технологических параметров метода намотки.5.

На основании разработанного научно-методического обеспечениясоздана система автоматизации проектирования процесса намоткиавиационных конструкций и программирования намоточных станков сучетом их реальных кинематических схем. Уникальной отличительнойособенностью системы является унифицированное геометрическоемоделирование поверхностей технологических оправок. Встроенные всистему средства инженерного анализа поведения композита наповерхности позволяют как визуализировать ориентацию волокон в слояхтела намотки, так и рассчитывать конструктивно-прочностныехарактеристики (деформации волокон, возможные разрывы нитей ленты,образование складок, натяжение нитей на раскладчике ленты и др.)Основные положения диссертации опубликованы в следующихработах:Работы, опубликованные в периодических рецензируемых научныхизданиях, рекомендованных ВАК РФ:1.Битюков Ю.И., Калинин В.А., Денискин Ю.И., Мирошниченко П.В.Нахождение оптимальной траектории движения нитераскладчика впроцессе намотки конструкций из волокнистых композиционныхматериалов // Омский научный вестник.