一种任意开口球面纤维网格构造方法技术

本发明专利技术公开了一种任意开口球面纤维网格构造方法。步骤如下：1）建立球的内接二十面体；2）连接各顶点生成二十面体的各三角形平面；3）将各三角形平面剖分，生成新的三角形和多面体，不断逼近球面；4）将新的三角形组成的网格投影到球面，生成球面测地线网格，对于存在开口的球面，滤去开口处的节点和网格；5）将纤维按照步骤4）得到的球面测地线网格通过编织、喷射等方法成型。应用本发明专利技术，可以实现任意不对称大开口球壳的纤维网格增强，所适用的纤维种类广泛，且纤维分布均匀，克服了通常大开口球体缠绕过程的纤维滑移和堆积问题；同时还具有成型过程无需极孔，纤维排列均匀等优点，使得制成品力学性能优良。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。步骤如下：1）建立球的内接二十面体；2）连接各顶点生成二十面体的各三角形平面；3）将各三角形平面剖分，生成新的三角形和多面体，不断逼近球面；4）将新的三角形组成的网格投影到球面，生成球面测地线网格，对于存在开口的球面，滤去开口处的节点和网格；5）将纤维按照步骤4）得到的球面测地线网格通过编织、喷射等方法成型。应用本专利技术，可以实现任意不对称大开口球壳的纤维网格增强，所适用的纤维种类广泛，且纤维分布均匀，克服了通常大开口球体缠绕过程的纤维滑移和堆积问题；同时还具有成型过程无需极孔，纤维排列均匀等优点，使得制成品力学性能优良。【专利说明】
本专利技术涉及一种复合材料结构设计制造领域。
技术介绍
纤维增强复合材料结构具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、破坏时不易产生碎片等显著优点而广泛的应用于航空航天、汽车舰艇、建筑工程、高端运动器材等领域，其结构性能好、质量轻，在减轻自重的同时还能改善抗震性能，今后将更广泛的取代钢材等传统金属工业材料，具有广阔的发展前景。 纤维增强型复合材料结构的加工工艺比较复杂，目前主要通过铺层与缠绕方式实现。其中纤维缠绕工艺可适用于大多数回转体，尤其是筒形容器。球形容器相比筒形容器具有突出的优点，其容积与表面积比值最小、球形容器在内压下经纬向应力相等，且仅为筒形容器环向应力的一半，在航空航天、深海等领域，只有应用球形复合材料结构才能最大限度地满足设计与性能需求。对于存在不对称开口的球形复合材料容器，目前一般采用类测地线缠绕方式，依靠摩擦力来防止缠绕过程的滑线现象，当开口直径较大时，缠绕角增大，则摩擦力不足以提供防止滑线所需要的力，因此开口直径受限。另一方面，由于缠绕工艺需要在球形容器两端设置极孔，在极孔边缘纤维容易大量堆积造成应力分布不均匀，直接影响结构性能。
技术实现思路
本专利技术针对不对称大开口球形复合材料结构，基于球面测地线理论提出了，避免了缠绕工艺过程的滑线现象和极孔边缘的纤维堆积，使得制成的大开口球形复合材料结构具有均匀良好的应力分布。 ，步骤如下:1)建立球的内接二十面体；2)连接各顶点生成二十面体的各三角形平面；3)将各三角形平面剖分，生成新的三角形和多面体，不断逼近球面；4)将新的三角形组成的网格投影到球面，生成球面测地线网格，对于存在开口的球面，滤去开口处的节点和网格；5)将纤维按照步骤4)得到的球面测地线网格通过编织、喷射等方法成型。 步骤3)将各三角形平面剖分，是将各三角形的各边的中点连接之后形成新的三角形和多面体。 步骤5)所述的纤维包括以下中的一种或多种:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维。 本专利技术的有益效果:应用本专利技术，可以实现任意不对称大开口球壳的纤维网格增强，所适用的纤维种类广泛，且纤维分布均匀，克服了通常大开口球体缠绕过程的纤维滑移和堆积问题；同时还具有成型过程无需极孔，纤维排列均匀等优点，使得制成品力学性能优良。 【专利附图】【附图说明】 图1是二十面体表示的近似球面；图2是经过I次剖分的球面近似网格；图3是球面测地线网格；图4是大开口复合材料球形结构纤维网格；图5是大开口复合材料球形结构加密的纤维网格；图6是两端不对称开口复合材料球形结构纤维网格。 【具体实施方式】 以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。 球面测地线网格构造原理球面上的测地线是球面上任意两点沿球面的最短路径，对于球形纤维增强复合材料结构，若能保证纤维均沿测地线分布，由此形成的复合材料结构则具有最优的形式，不仅避免了滑线问题，而且可以最大程度的优化复合材料球体的应力分布，从而使结构具有良好的性能。但对于存在不对称大开口的球形复合材料结构，通常的纤维缠绕工艺必须改变缠绕角才能使线型覆盖整个球面，受摩擦力大小的限制，缠绕角不能改变太大，因此开口直径非常有限。本专利技术提出了，所有纤维均沿测地线分布，且由于纤维网格节点的交织，完全避免了纤维滑移，同时开口处也不存在纤维厚度堆积，制成品具有良好的力学性能。 测地线是测地曲率为零的曲线，即曲面上测地线的密切平面包含曲面的法向。在一张曲面S上任意取两点P和Q，在S上由P点到达Q点的路径有无数条，但在局部范围内最短的路径一般只有一条，称为P到Q的测地线。在纤维增强的复合材料结构中，为避免成型或承载过程中的纤维滑移，纤维按测地线分布是为最理想的方法。 设C是曲面上过点P的正则曲线，记t为C在P处的单位切向量，η为C在点P处的单位法向量，N为曲面S在点P处的单位法向量，W=NXt是位于曲面的切平面内且垂直于t的单位向量，曲线r (s)的曲率向量k在w方向上的分量就是测地线曲率Kg。根据测地线原理，对于任意曲面，通常先进行网格剖分，再利用网格面的法向计算网格面上的测地线，无论是网格剖分还是寻找测地线，均需较为繁琐的计算步骤，而球面则可以应用其二十面体近似和对称性质简化上述步骤实现测地线网格剖分。 如图1所示，由五边形组成的二十面体可以近似表示一个球体，其中二十面体的所有顶点都位于球面上，这些顶点的连线组成的三角形平面可视为近似球面的一种均匀网格剖分。 为了便于调节网格密度和计算机控制节点位置输出，对图1中的三角形平面可进行任意次数的剖分，取三角形三条边的中点，连接三个中点，则每个三角形都可形成4个新的三角形，共计形成80个新三角形，如图2所示。若需进一步剖分，则取每个三角形的中点，连接形成320个新三角形，依次类推，可无限剖分从而获得更为精细的网格。 网格剖分完成后，将所有顶点重新投影到球面，并利用网格面的法向计算网格面上的测地线，如图3所示。 实施方法和步骤应用上述原理，根据不同网格密度要求，可以给出含任意开口的球面上所有节点的三维空间坐标以及相邻节点的纤维长度，精确实现球面测地线网格成型，从而使大开口纤维增强复合材料球形结构具有高度均匀的机械力学性能，在承受内压和冲击载荷时具有良好的力学响应。 本专利技术的重点在于给出含任意开口的球面的测地线网格节点及其纤维长度，为了便于说明，以下给出单位球体上采用matlab语言编程实现的具体步骤:1.建立球的内接二十面体，将该二十面体的顶点坐标记为矩阵C，矩阵的每一行包括3个元素分别表示顶点的三维空间坐标Cr，JO z)；2.根据矩阵C计算顶点个数和空间维数，连接各顶点生成二十面体的各三角形平面，其中TR的数据结构表示三角形平面的编号及组成该三角形的三个顶点空间坐标； Tria = fliplr(convhulln(C)); TR=TriRep(Tria, C);3.三角形网格剖分，生成新的三角形和多面体，剖分次数为k，k是自然数，通过提高k值不断逼近球面，其中，i是循环变量，nv是顶点个数，nf是三角形平面个数； for i=l:knv=size(C， I);nf=size(Tria,I);%计算中节点坐标，其中V1、V2、V3分别表示中节点的空间坐标Cr，joz)，V表示所有中节点组成的矩阵 Vl= (C (Tria(:, I),:)+ C (Tria(:, 2),:))/2; V2=(C (Tria(:, 2),:)+ C (Tria(:, 3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种任意开口球面纤维网格构造方法，其特征在于，步骤如下：1）建立球的内接二十面体；2）连接各顶点生成二十面体的各三角形平面；3）将各三角形平面剖分，生成新的三角形和多面体，不断逼近球面；4）将新的三角形组成的网格投影到球面，生成球面测地线网格，对于存在开口的球面，滤去开口处的节点和网格；5）将纤维按照步骤4）得到的球面测地线网格通过编织、喷射方法成型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩九林，马利，马锦秀，
申请(专利权)人：杭州健途科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33