一種復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，采用歸一化曲線方程計算纏繞纖維上每個坐標控制點在三維空間中的坐標，結合三維建模軟件實體特征操作方法實現(xiàn)復合纖維纏繞產(chǎn)品的三維建模；解決了纖維纏繞仿真時由于纖維在躍層/跨圈部位三維實體模型之間的相互干涉，以及為避免干涉需要對控制點坐標進行修正的問題；能夠創(chuàng)建任意繞絲長度纖維纏繞模型并與實際纖維纏繞產(chǎn)品具有很高的相似性；纖維纏繞模型對纏繞芯軸的軸體錐度適應范圍大，尺寸精度高。本發(fā)明能夠依據(jù)用戶的輸入?yún)?shù)自動生成需要的纖維纏繞產(chǎn)品模型，提高了設計效率；同時能夠最大程度的模擬纖維復合材料產(chǎn)品在纏繞過程中出現(xiàn)的各種纖維干涉交叉情況，包括躍層交叉和變?nèi)徊?；使得纖維纏繞產(chǎn)品三維模型的外形尺寸與實際產(chǎn)品近似程度較高。
【專利說明】-種復合纖維可變維度纏繞模型的構造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機圖形學和H維建?！炯夹g領域】，尤其涉及一種復合纖維可變錐度 纏繞產(chǎn)品H維模型的構造方法。

【背景技術】
[0002] 復合纖維纏繞成型是將連續(xù)的纖維浸潰樹脂膠液后，在固定張力的作用下，按照 預定的相對運動規(guī)律纏繞到芯軸上，待固化成型后形成具有特定形狀的纖維纏繞制品。常 見的復合纖維纏繞產(chǎn)品一般是具有軸對稱形狀的圓柱型或圓錐型。常用的制造方法是按照 螺旋線的運動軌跡在芯軸上纏繞纖維。運動規(guī)律是芯軸繞其中軸線勻速轉動，繞絲頭按特 定速度沿芯軸軸線方向往返運動，從而在芯軸的筒體上實現(xiàn)螺旋纏繞。復合纖維纏繞制品 廣泛應用在軍民產(chǎn)品上，特別對于高負載、高壓等特殊環(huán)境具有嚴格的技術要求。因此需要 對復合纖維纏繞制品的尺寸參數(shù)、各節(jié)點的應力、變形分布等在不同溫度條件下進行有限 元分析。由于目前沒有可靠的分析測試軟件，復合纖維纏繞產(chǎn)品的纏繞參數(shù)完全依靠設計 人員的經(jīng)驗來確定。該種生產(chǎn)方式導致纏繞產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低下，成品率不高。急需開發(fā) 一種復合纖維纏繞產(chǎn)品的建模和分析測試軟件來滿足工程實際的需要。
[0003] H維模型是進行有限元分析的基礎，只有建立滿足高仿真要求的H維模型才能為 后續(xù)的各種有限元數(shù)值分析提供高質(zhì)量的分析對象，提高后續(xù)仿真計算的精度。現(xiàn)有技術 中，復合纖維纏繞模型的生成依據(jù)纏繞產(chǎn)品的芯軸錐度可W分為圓柱型和圓錐型復合纖維 纏繞產(chǎn)品。由于纖維纏繞產(chǎn)品的繞絲長度一般要求在數(shù)公里乃至數(shù)十公里，因此創(chuàng)建此種 類產(chǎn)品的H維模型的難度很大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，旨在 解決由于復合纖維纏繞制品繞絲長度極大情況下，W圓柱型螺旋線方程結合H維圖形變換 的方法創(chuàng)建可用于數(shù)值分析的H維可變錐度纏繞模型的問題。
[0005] 本發(fā)明實施例是該樣實現(xiàn)的，一種復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，該復 合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法；W圓柱螺旋曲線為基礎函數(shù)結合計算機H維圖形變 換算法實現(xiàn)纏繞模型中也線上坐標控制點的快速計算，并在H維設計環(huán)境中首先用依次通 過全部控制點的樣條曲線創(chuàng)建多層復合中也線，然后W中也線作為引導線調(diào)用實體建模功 能創(chuàng)建H維纖維纏繞產(chǎn)品模型。
[0006] 進一步，該復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法包括W下步驟： 步驟一、W圓柱螺旋線方程作為計算復合纖維纏繞模型中也線上全部坐標控制點的基 礎數(shù)學模型； 步驟二、采用自定義二維鏈表數(shù)據(jù)結構構成網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，用W保存中也線上坐標控 制點上的坐標信息W及坐標點之間的邏輯關系； 步驟H、采用插入相同數(shù)目的共軸基準面和過渡段坐標控制點，按照曲線關系計算出 坐標控制點并向與之對應的參考基準面做軸向旋轉變換的辦法實現(xiàn)過渡段中也線控制點 坐標參數(shù)的計算。
[0007] 步驟四、W計算機H維圖形變換算法對由圓柱螺旋線方程計算出的中也線坐標控 制點進行H維變換，將按照圓柱型分布的控制點調(diào)整為滿足預定義錐度的圓錐型分布排 列； 進一步，當所述步驟一中，計算出初始狀態(tài)的多層復合圓柱螺旋線時，步驟二中，將計 算出來的圓柱型中也線坐標控制點的坐標信息和邏輯關系保存到自定義的數(shù)據(jù)集合中。
[0008] 進一步，步驟H中，根據(jù)設計精度的要求，在螺旋中也線躍層/跨圈部位連接曲線 的指定位置軸向基準面投影線上插入若干個坐標控制點，并按照與插入坐標控制點一一對 應關系插入相同數(shù)量的共軸基準面，共軸基準面之間夾角均等；按照纖維纏繞時的實際形 態(tài)和近似曲線計算出插入坐標控制點的坐標參數(shù)，并向與之對應的新建基準面旋轉變換形 成調(diào)整H維坐標位置后的坐標控制點；將修正位置后的坐標控制點插入到網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合 中，完成全部的H維模型中也線坐標控制點的計算。
[0009] 進一步，步驟四中，根據(jù)要求需要計算圓錐型復合纖維纏繞模型時，要將步驟二中 保存的數(shù)據(jù)集合進行計算機H維圖形變換；變換方式為首先進行W芯軸軸線為基準軸的基 準面旋轉變換、在基準面內(nèi)將坐標原點移動到圓柱型中也線第一個坐標控制點的坐標系平 移變換、坐標控制點W移動后原點為參考點旋轉一定角度的旋轉變換、在基準面內(nèi)將坐標 原點恢復初始位置的坐標系平移逆變換和將基準面恢復初始位置的基準面旋轉逆變換；得 到滿足錐度要求和尺寸要求的圓錐螺旋線纖維纏繞中也線控制點坐標參數(shù)。
[0010] 進一步，步驟四中，根據(jù)要求需要計算圓柱型復合纖維纏繞模型時，則不進行計算 機圖形變換；在步驟H中保存的數(shù)據(jù)滿足圓柱螺旋線的尺寸要求。
[0011] 進一步，在H維設計環(huán)境中依次導入中也線坐標控制點的坐標參數(shù)，并創(chuàng)建一一 對應的參考點，然后用曲線連接全部的參考點形成完整的纏繞模型多層復合中也線。最后 在H維環(huán)境中調(diào)用H維實體建模功能W中也線為引導線創(chuàng)建復合纖維纏繞產(chǎn)品的H維模 型。
[0012] 本發(fā)明提供的復合纖維可變錐度纏繞H維模型的構造方法，W VC為開發(fā)工具、 SolidWorks為H維設計環(huán)境設計一種基于計算機圖形變換的歸一化圓柱/圓錐螺旋纏繞 模型構造方法；能夠快速實現(xiàn)H維纏繞模型的構造，簡化模型的設計過程；本發(fā)明提出的 方法能夠依據(jù)用戶的輸入?yún)?shù)自動生成需要的復合纖維纏繞產(chǎn)品H維模型，提高了設計效 率。同時該方法能夠最大程度的模擬纖維在纏繞過程中出現(xiàn)的各種纖維交叉情況，包括躍 層交叉和變?nèi)徊娴取Ｊ沟梅抡娴膹秃侠w維纏繞產(chǎn)品H維模型的外形尺寸與實際產(chǎn)品近似 程度較高。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是；①本發(fā)明中提出的復合纖維數(shù)學模型和坐標 控制點計算方法具有控制點坐標計算簡單；對纏繞模型錐度參數(shù)適應范圍大；坐標控制點 間邏輯關系表示全面的優(yōu)點。該方法將較為復雜的求解圓錐型曲線坐標轉換為求解圓柱曲 線坐標W及一系列的計算機圖形變換的結果，為后續(xù)的纏繞缺陷模擬和數(shù)值分析提供了良 好的數(shù)據(jù)與邏輯關系支持。②本發(fā)明采用的程序驅動建模方法完全可W實現(xiàn)任意錐度要求 的纖維纏繞H維模型的創(chuàng)建，為后續(xù)的數(shù)值分析提供了質(zhì)量較好的分析模型，繞絲長度的 極限值只受軟件和計算機的性能影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實施例提供的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法的流程圖； 圖2是本發(fā)明實施例提供的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法的具體實現(xiàn)流程 圖； 圖3是本發(fā)明實施例提供的復合纖維纏繞模型坐標控制點網(wǎng)絡示意圖； 圖4是本發(fā)明實施例提供的復合纖維纏繞模型躍層部位層間關系示意圖； 圖5是本發(fā)明實施例提供的復合纖維纏繞模型躍層和跨圈中也線軌跡示意圖。

【具體實施方式】
[0015] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結合實施例，對本發(fā)明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0016] 下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法包括W下步 驟： 5101 圓柱螺旋線方程為計算纖維纏繞模型中也線全部坐標控制點的基礎方程； 5102 ;采用自定義二維鏈表數(shù)據(jù)結構構成網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，用W保存中也線上坐標控制 點的坐標信息W及坐標控制點之間的邏輯關系； S103;采用插入相同數(shù)量的共軸參考基準面和過渡段坐標控制點，按照曲線關系計算 出的坐標控制點并向與之對應的參考基準面旋轉變換的辦法實現(xiàn)過渡段中也線坐標控制 點的計算。
[0018] S104;w計算機H維圖形變換算法將中也線坐標控制點集合排列規(guī)則由圓柱型變 換為滿足預定義椎體錐度的圓錐型數(shù)據(jù)集合； 本發(fā)明W VC為開發(fā)工具、SolidWorks為H維設計環(huán)境設計一種基于計算機H維圖形 變換的歸一化圓柱/圓錐型復合纖維纏繞模型構造方法，該種方法能夠快速實現(xiàn)H維纏繞 模型的構造，簡化模型的設計過程，其設計流程如圖2所示； 本發(fā)明中創(chuàng)建復合纖維纏繞H維模型的基本路線是首先計算纖維的中也線控制 點坐標參數(shù)，然后采用在SolidWorks H維環(huán)境中創(chuàng)建與坐標控制點--對應的參考 點，用樣條曲線連接各個參考點形成H維模型的中也線，然后調(diào)用H維實體建模功能W 中也線為引導線的方法生成復合纖維H維纏繞模型，因此能否順利的構建纏繞模型的 多層螺旋型中也線成為決定性的條件，創(chuàng)建模型需要完成H個步驟：①初始控制點集 合坐標參數(shù)計算；②組建坐標控制點網(wǎng)絡；③特殊部位坐標控制點坐標修正的問題； 霞基于計算機圖形學的模塊化函數(shù)變換。
[0019] 步驟一，初始控制點集合坐標參數(shù)計算： 首先由于實際的纖維纏繞產(chǎn)品的繞絲完全展放時的長度很長，一般要達到十幾或幾十 公里，因此在設計圓柱/圓錐纏繞模型的H維多層螺旋中也線時不可能依靠手工輸入的方 式輸入H維曲線的坐標控制點，必須按照設計要求采用合適的數(shù)學公式生成全部的坐標控 制點； 步驟二，結構坐標控制點網(wǎng)絡： 復合纖維纏繞模型的中也線坐標控制點的數(shù)據(jù)存儲和表達在整個參數(shù)化設計過程中 起著重要的作用，后續(xù)的各種計算過程都要根據(jù)坐標控制點上保存的信息來進行，坐標控 制點的信息域不僅保存坐標信息，而且還保存所在層圈的信息，除了坐標控制點本身的信 息外，還要保存坐標控制點之間的邏輯關系信息； 步驟H，躍層與跨圈的節(jié)點控制： 在設計復合纖維纏繞模型的H維模型時除了創(chuàng)建多層的纏繞纖維外，還需要解決H維 模型如何模擬纖維纏繞過程中的兩個問題：①躍層干擾是當纖維由第n層向第n+1層過渡 時，由于H維軟件無法自動識別纖維交錯時的干涉問題，就會出現(xiàn)纖維之間相互干涉的問 題，②跨圈干擾是在生成纏繞模型時當纖維由第m圈向第m+1圈過渡時，同樣會出現(xiàn)纖維間 的干涉問題； 步驟四，基于計算機圖形學的模塊化函數(shù)變換： W計算機H維圖形變換算法將中也線坐標控制點集合排列規(guī)則由圓柱型變換為滿足 預定義椎體錐度的圓錐型數(shù)據(jù)集合。
[0020] 上述步驟一中，采用圓柱/圓錐螺旋線歸一化方程作為纖維纏繞模型中也線的數(shù) 學模型，當創(chuàng)建圓錐型纖維纏繞模型時，圓錐螺旋線方程由圓柱螺旋線方程經(jīng)過計算機H 維圖形變換得到，采用該種模型可W方便的計算出纖維上各個采樣點的坐標參數(shù)，然后轉 化為圓錐型纏繞模型，而且在后續(xù)的纖維纏繞誤差仿真中便于計算有纏繞缺陷纖維控制點 的坐標參數(shù)。
[0021] 上述步驟二中，采用改進的二維雙向循環(huán)鏈表的形式組織各個節(jié)點之間的關系， 節(jié)點的類型包括H種類型：①起始結點②層始結點和③坐標控制點H種類型，其中起始節(jié) 點保存復合纖維纏繞模型總長度，層數(shù)和圈數(shù)等信息；層始結點包括前驅和后續(xù)層的邏輯 關系和本層首節(jié)點的坐標信息等內(nèi)容；坐標控制點結點包括本控制點坐標信息、所在層號、 所在圈號和相關指針信息等內(nèi)容，本發(fā)明所創(chuàng)建二維雙向循環(huán)鏈表，其特點包括：每層的始 節(jié)點之間設置雙向鏈表，指向層始結點的指針可W快速定位到本層的前驅層和后續(xù)層；每 層的各個坐標控制點節(jié)點之間設置了指向前驅和后繼的指針，指向該控制節(jié)點的指針可W 快速定位到本節(jié)點的前驅和后繼節(jié)點；為了方便數(shù)據(jù)的遍歷另外設置了依次從第一個坐標 控制點結點到最后一個坐標控制點結點的單向遍歷指針，數(shù)據(jù)結構如圖3所示； 在本發(fā)明創(chuàng)建的坐標控制點邏輯結構中，由指向纏繞層的起始結點的指針控制當前訪 問的層的位置，由指向坐標控制點的指針通過讀取坐標控制點的所在圈數(shù)編號就可W判斷 當前點是否處在跨圈位置還是處于正常纏繞的位置，訪問控制節(jié)點的序號屬性能夠提供當 前坐標控制點相對于基準參考面的定位角度，該樣對于復合纖維纏繞模型中的每一個坐標 控制點都能夠控制其位置，并根據(jù)需要進行定位和調(diào)整，文中采用的數(shù)據(jù)結構具有較強的 擴展性，能夠根據(jù)需要對層初始結點和坐標控制點結點添加額外的屬性，方便開發(fā)人員對 模型進行更深層次的控制； 上述步驟H中，解決該兩種問題的方法是在第n層的末節(jié)點和第n+1層的始結點之間 W及第m圈的末節(jié)點和第m+1圈的動態(tài)的插入若干個臨時坐標控制點，由該些臨時加入的 坐標控制點引導曲線進行相互之間的避讓，避免出現(xiàn)干涉的情況； 對于躍層部位的坐標控制點修正，需要確定該些坐標控制點所在的控制曲線，躍層部 位的投影關系如圖4所示，圖4中第i層的末結點與第i+1層的始結點之間空間關系為，相 對于纏繞模型的旋轉軸兩個坐標控制點分別與旋轉軸構成的參考面之間的夾角為e，首先 可W在兩個基準面之間插入若干個新的等分中間基準面Ji(i=i?腳，然后將相鄰層的始末 節(jié)點投影到與躍層部位起始點重合的基準面上，結果如圖5所示，由于纖維具有一定的剛 度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將中也線的軌跡描述為由H段 線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段，兩段圓弧線段分別：是從第i層的末 節(jié)點到中間結點A和從中間結點B到第i+1層始結點之間的圓弧線段，因為纖維在纏繞時 受到拉力作用在該兩段是繞著其他纖維的外表面移動，從中間結點A到B之間是直線段，線 段在跨越下層若干圈時不會陷入逐圈之間的溝道。確定中也線軌跡后在軌跡線上插入與新 插入的中間基準面數(shù)量相同的坐標控制點，計算出新插入控制點的坐標參數(shù)后，將新插入 控制點向中間基準面Jk上進行一一對應的旋轉變換。每個中間基準面上投射一個坐標控 制點，最后將全部旋轉變換后的控制點坐標參數(shù)添加到纏繞模型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合中相對應的 躍層位置； 對于跨圈的部位處理方法與躍層的類似，在如圖5所示的第i+1層第1圈的末節(jié)點和 第i+1層第2圈的始結點之間插入若干個等分中間基準面，然后將跨圈部位始末節(jié)點之間 通過中間結點的跨圈部位中也線向與跨圈部位起始點重合的基準面上投影，并在投影曲線 上插入與中間基準面數(shù)目相同的坐標控制點。確定插入的控制點坐標參數(shù)后，將控制點向 中間基準面一一對應的旋轉變換。最后將全部旋轉變換后的控制點坐標參數(shù)添加到纏繞模 型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合中相對應的跨圈位置。
[0022] 上述步驟四中，數(shù)據(jù)集合e(CJ)中的的任意點P在（X，Y)平面上有一投影點N，為 實現(xiàn)圓柱型曲線向圓錐型曲線轉換，首先將X0Z平面繞Z軸旋轉至與N點重合處，其中Z軸 與纏繞芯軸的中也線重合；變換矩陣為1W，當纖維纏繞產(chǎn)品的錐度變化時由于纖維模型 的直徑不變性，則點P到點N之間的距離不變，也就是點P繞點N在新的X0Z平面內(nèi)旋轉了 7角度，在計算點P旋轉后的坐標時需要將坐標軸平移到點N處，變換矩陣為Ti ;其次進行 旋轉變換，變換矩陣為T,;第H將坐標系移回原點，變換矩陣為Ts，最后將X0Z平面返回初 始位置，變換矩陣為T-Iidz，因此滿足圓錐螺旋曲線的中也線控制點坐標參數(shù)都可W采用 對圓柱螺旋線上的點進行計算機H維圖形變換的方法計算出來，當創(chuàng)建圓柱型纖維纏繞模 型時，則不進行幾何圖形變換； 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明： 實施例1 ; 一種基于圓柱螺旋曲線和計算機H維圖形變換的構建復合纖維纏繞產(chǎn)品模 型的方法，包括下述步驟： 步驟一；根據(jù)纖維纏繞產(chǎn)品的設計要求確定圓柱體螺旋線方程的直徑和螺旋線軸向長 度，然后由圓柱體螺旋線方程結算出纖維纏繞模型中也線上全部坐標控制點的坐標參數(shù)； 步驟二：創(chuàng)建如圖3所示的纖維中也線坐標控制點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，其中保存由圓柱 型螺旋線計算出的全部中也線坐標控制點的坐標參數(shù)W及坐標控制點之間的邏輯關系； 步驟H;對于躍層/跨圈部位的坐標控制點調(diào)整，需要在躍層/跨圈部位均勻插入若干 坐標控制點和相同數(shù)量的共軸基準面，基準面過z軸和一個坐標控制點，由于纖維具有一 定的剛度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將躍層部位的中也線的 軌跡描述為由H段線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段；跨圈部位的中也 線定義為一段圓弧，由于插入的坐標控制點均勻分布，通過圓弧和直線段的方程可W計算 出新插入點的坐標參數(shù)，然后向對應的基準面上旋轉變換并將插入的坐標控制點加入到已 有的坐標控制點數(shù)據(jù)集合中。
[0023] 步驟四；對于圓錐型纖維纏繞模型，對于在網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合中保存的任意坐 標控制點P在（X，Y)平面上有一投影點N，為實現(xiàn)圓柱曲線向圓錐曲線轉換，首先將X0Z平 面繞Z軸旋轉至與N點重合處；變換矩陣為，當纖維纏繞產(chǎn)品的錐度變化時由于纖維 模型的直徑不變性，則點P到點N之間的距離不變，也就是點P繞點N在新的X0Z平面內(nèi)旋 轉了 7角度，在計算點P旋轉后的坐標時需要將坐標軸平移到點N處，變換矩陣為Ti ;其次 進行旋轉變換，變換矩陣為T,;再次再將坐標系移回原點，變換矩陣為Ts，最后將X0Z平面 返回初始位置，變換矩陣為據(jù)此可W計算出纖維纏繞產(chǎn)品的圓錐型中也線控制點 坐標參數(shù)，最后在H維環(huán)境中將該些控制點連接起來形成復合纖維纏繞模型的中也線，然 后在H維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能的可W生成復合纖維纏繞產(chǎn)品的H維模型。； 實施例2 ;-種基于圓柱螺旋曲線和計算機H維圖形變換的構建纖維纏繞模型的方 法： 步驟一；根據(jù)纖維纏繞產(chǎn)品的設計要求確定圓柱體螺旋線方程的間距和第一層圈數(shù)， 然后由圓柱體螺旋線方程結算出纖維纏繞模型中也線全部坐標控制點的坐標值； 步驟二：創(chuàng)建如圖3所示的纖維中也線坐標控制點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，其中保存由圓柱 型螺旋線計算出的全部中也線坐標控制點的坐標參數(shù)W及坐標控制點之間的邏輯關系； 步驟H ;對于躍層/跨圈部位的坐標控制點調(diào)整，需要在躍層/跨圈部位均勻插入若干 坐標控制點和相同數(shù)量的共軸基準面，基準面過Z軸和一個坐標控制點，由于纖維具有一 定的剛度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將躍層部位的中也線的 軌跡描述為由H段線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段；跨圈部位的中也 線定義為一段圓弧，由于插入的坐標控制點均勻分布，通過圓弧和直線段的方程可W計算 出新插入點的坐標參數(shù)，然后向對應的基準面上旋轉變換并將插入的坐標控制點加入到已 有的坐標控制點數(shù)據(jù)集合中。
[0024] 步驟四；對于圓錐型纖維纏繞模型，對于在網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合e(P，A)中保存的任意坐 標控制點P在（X，Y)平面上有一投影點N，為實現(xiàn)圓柱曲線向圓錐曲線轉換，首先將X0Z平 面繞Z軸旋轉至與N點重合處；變換矩陣為，當纖維纏繞產(chǎn)品的錐度變化時由于纖維 模型的直徑不變性，則點P到點N之間的距離不變，也就是點P繞點N在新的X0Z平面內(nèi)旋 轉了 7角度，在計算點P旋轉后的坐標時需要將坐標軸平移到點N處，變換矩陣為Ti ;其次 進行旋轉變換，變換矩陣為T,;再次再將坐標系移回原點，變換矩陣為馬，最后將X0Z平面 返回初始位置，變換矩陣為據(jù)此可W計算出纖維纏繞產(chǎn)品的圓錐型中也線控制點 坐標參數(shù)，最后在H維環(huán)境中將該些控制點連接起來形成復合纖維纏繞模型的中也線，然 后在H維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能的可W生成復合纖維纏繞產(chǎn)品的H維模型； 實施例3 ;-種基于圓柱螺旋曲線和計算機H維圖形變換的構建纖維纏繞模型的方 法： 步驟一；根據(jù)纖維纏繞產(chǎn)品的設計要求確定圓柱體螺旋線方程的直徑、螺旋線軸向長 度和螺旋線間距，然后由圓柱體螺旋線方程結算出纖維纏繞模型中也線全部坐標控制點的 坐標值； 步驟二：創(chuàng)建如圖3所示的纖維中也線坐標控制點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，其中保存由圓柱 型螺旋線計算出的全部中也線坐標控制點的坐標參數(shù)W及坐標控制點之間的邏輯關系； 步驟H;對于躍層/跨圈部位的坐標控制點修正，需要在躍層/跨圈部位均勻插入若干 坐標控制點和相同數(shù)量的共軸基準面，基準面過Z軸和一個坐標控制點，由于纖維具有一 定的剛度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將躍層部位的中也線的 軌跡描述為由H段線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段；跨圈部位的中也 線定義為一段圓弧，由于插入的坐標控制點均勻分布，通過圓弧和直線段的方程可W計算 出新插入點的坐標參數(shù)，然后向對應的基準面上旋轉變換并將插入的坐標控制點加入到已 有的坐標控制點數(shù)據(jù)集合中。
[0025] 步驟四；對于圓錐型纖維纏繞模型，對于在網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合中保存的任意坐 標控制點P在（X，Y)平面上有一投影點N，為實現(xiàn)圓柱曲線向圓錐曲線轉換，首先將X0Z平 面繞Z軸旋轉至與N點重合處；變換矩陣為TW，當纖維纏繞產(chǎn)品的錐度變化時由于纖維 模型的直徑不變性，則點P到點N之間的距離不變，也就是點P繞點N在新的X0Z平面內(nèi)旋 轉了:r角度，在計算點P旋轉后的坐標時需要將坐標軸平移到點N處，變換矩陣為Ti ;其次 進行旋轉變換，變換矩陣為T,;再次再將坐標系移回原點，變換矩陣為Ts最后將X0Z平面 返回初始位置，變換矩陣為據(jù)此可W計算出纖維纏繞產(chǎn)品的圓錐型中也線，最后在 H維環(huán)境中將該些控制點連接起來形成復合纖維纏繞模型的中也線，然后在H維設計環(huán)境 中調(diào)用實體建模功能的可W生成復合纖維纏繞產(chǎn)品的H維模型； 實施例4 ;一種基于圓柱螺旋曲線和計算機H維圖形變換的構建纖維纏繞模型的方 法： 步驟一；根據(jù)纖維纏繞產(chǎn)品的設計要求確定圓柱體螺旋線方程的直徑和螺旋線軸向長 度，然后由圓柱體螺旋線方程結算出纖維纏繞模型中也線全部坐標控制點的坐標值； 步驟二：創(chuàng)建如圖3所示的纖維中也線坐標控制點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，其中保存由圓柱 型螺旋線計算出的全部中也線坐標控制點的坐標參數(shù)W及坐標控制點之間的邏輯關系； 步驟H;對于躍層/跨圈部位的坐標控制點修正，需要在躍層/跨圈部位均勻插入若干 坐標控制點和相同數(shù)量的共軸基準面，基準面過Z軸和一個坐標控制點，由于纖維具有一 定的剛度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將躍層部位的中也線的 軌跡描述為由H段線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段；跨圈部位的中也 線定義為一段圓弧，由于插入的坐標控制點均勻分布，通過圓弧和直線段的方程可W計算 出新插入點的坐標參數(shù)，然后向對應的基準面上旋轉變換并將插入的坐標控制點加入到已 有的坐標控制點數(shù)據(jù)集合中，最后在H維環(huán)境中將該些控制點連接起來形成復合 纖維纏繞模型的中也線，然后在H維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能的可W生成復合纖維纏 繞產(chǎn)品的H維模型。
[0026] 實施例5 ;-種基于圓柱螺旋曲線和計算機H維圖形變換的構建纖維纏繞模型的 方法： 步驟一；根據(jù)纖維纏繞產(chǎn)品的設計要求確定圓柱體螺旋線方程的螺旋線間距，然后由 圓柱體螺旋線方程結算出纖維纏繞模型中也線全部坐標控制點的坐標值； 步驟二：創(chuàng)建如圖3所示的纖維中也線坐標控制點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，其中保存由圓柱 型螺旋線計算出的全部中也線坐標控制點的坐標參數(shù)W及坐標控制點之間的邏輯關系； 步驟H;對于躍層/跨圈部位的坐標控制點修正，需要在躍層/跨圈部位均勻插入若干 坐標控制點和相同數(shù)量的共軸基準面，基準面過Z軸和一個坐標控制點，由于纖維具有一 定的剛度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將躍層部位的中也線的 軌跡描述為由H段線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段；跨圈部位的中也 線定義為一段圓弧，由于插入的坐標控制點均勻分布，通過圓弧和直線段的方程可W計算 出新插入點的坐標參數(shù)，然后向對應的基準面上旋轉變換并將插入的坐標控制點加入到已 有的坐標控制點數(shù)據(jù)集合中，最后在H維環(huán)境中將該些控制點連接起來形成復合 纖維纏繞模型的中也線，然后在H維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能的可W生成復合纖維纏 繞產(chǎn)品的H維模型。
[0027] 實施例6 ;-種基于圓柱螺旋曲線和計算機H維圖形變換的構建纖維纏繞模型的 方法： 步驟一；根據(jù)纖維纏繞產(chǎn)品的設計要求確定圓柱體螺旋線方程的直徑、螺旋線軸向長 度和螺旋線間距，然后由圓柱體螺旋線方程結算出纖維纏繞模型中也線全部坐標控制點的 坐標值； 步驟二：創(chuàng)建如圖3所示的纖維中也線坐標控制點的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，其中保存由圓柱 型螺旋線計算出的全部中也線坐標控制點的坐標參數(shù)W及坐標控制點之間的邏輯關系； 步驟H;對于躍層/跨圈部位的坐標控制點修正，需要在躍層/跨圈部位均勻插入若干 坐標控制點和相同數(shù)量的共軸基準面，基準面過Z軸和一個坐標控制點，由于纖維具有一 定的剛度并且在纏繞的過程中要受到一定的拉力，因此可W近似的將躍層部位的中也線的 軌跡描述為由H段線段組成，其中包括兩端的圓弧線段和中間的直線段；跨圈部位的中也 線定義為一段圓弧，由于插入的坐標控制點均勻分布，通過圓弧和直線段的方程可W計算 出新插入點的坐標參數(shù)，然后向對應的基準面上旋轉變換并將插入的坐標控制點加入到已 有的坐標控制點數(shù)據(jù)集合中，最后在H維環(huán)境中將該些控制點連接起來形成復合 纖維纏繞模型的中也線，然后在H維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能的可W生成復合纖維纏 繞產(chǎn)品的H維模型。
[0028] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是；①本發(fā)明中提出的復合纖維纏繞數(shù)學模型和 坐標控制點計算方法具有控制點坐標計算簡單；對纏繞產(chǎn)品錐度參數(shù)適應范圍大；坐標控 制點間邏輯關系表示全面的優(yōu)點。該方法將較為復雜的求解圓錐體曲線坐標轉換為求解圓 柱曲線坐標W及一系列的計算機圖形變換的結果，為后續(xù)的纏繞產(chǎn)品缺陷模擬和力學分析 提供了良好的數(shù)據(jù)與邏輯關系支持。②本發(fā)明采用的程序驅動方法完全可w實現(xiàn)任意繞絲 長度尺寸要求的纖維纏繞模型的創(chuàng)建，為后續(xù)的數(shù)值分析提供了質(zhì)量較好的分析模型，長 度的極限值只受軟件和計算機的性能影響。
[0029] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征在于，該復合纖維可變錐度纏 繞模型的構造方法：以圓柱螺旋曲線為基礎構造函數(shù)結合計算機三維圖形變換算法實現(xiàn)纖 維纏繞模型中心線上坐標控制點的快速計算；計算出全部控制點坐標后，在三維建模軟件 中創(chuàng)建通過全部控制點的多層復合螺旋線；以多層復合螺旋線為中心線生成三維纖維纏繞 產(chǎn)品模型。
2. 如權利要求1所述的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征在于，該復合 纖維可變錐度纏繞模型的構造方法包括以下步驟： 步驟一、以圓柱螺旋線方程為計算纖維纏繞產(chǎn)品模型中心線上全部坐標控制點的基礎 方程； 步驟二、采用自定義二維鏈表數(shù)據(jù)結構構成網(wǎng)狀數(shù)據(jù)集合，用以保存纖維纏繞模型中 心線上全部坐標控制點的坐標信息以及坐標點之間的邏輯關系； 步驟三、在跨層和跨圈的過渡部位插入多個過渡段中心線控制點和與之數(shù)量相等的共 軸基準面，按照曲線間的跨越關系逐個計算出插入的坐標控制點參數(shù)，然后按照與基準面 一一對應的關系，通過三維旋轉變換將控制點移動到與之對應的基準面上，實現(xiàn)過渡段中 心線控制點坐標三維參數(shù)的計算； 步驟四、由計算機三維圖形變換算法對以圓柱螺旋線為基礎計算得到的全部纖維纏繞 模型中心線坐標控制點進行三維重構計算，得到滿足預定義錐度的復合纖維纏繞模型全部 中心線控制點坐標； 步驟五、計算出全部的復合纖維纏繞模型中心線控制點坐標參數(shù)后，將全部數(shù)據(jù)導入 到三維設計軟件中，在三維軟件中用樣條曲線依次連接全部控制點形成三維模型多層復合 中心線； 最后在三維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能創(chuàng)建復合纖維纏繞模型。
3. 如權利要求2所述的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征 在于，當所述步驟一中，按照圓柱螺旋線方程計算出初始狀態(tài)的滿足圓柱螺旋 線關系的坐標控制點時，步驟二中，將計算出來的全部圓柱型螺旋線中心線坐 標控制點的坐標信息和邏輯關系保存到自定義的數(shù)據(jù)集合中；及建立數(shù)據(jù)集合 ? =P1Il,其中Ji為空間點的集合，并且對于集合中的任意點Pfcjr1Z)滿足圓柱螺旋線方
4. 如權利要求2所述的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征在于，步驟三 中，根據(jù)設計精度的要求，首先建立一個通過纏繞軸線和躍層/跨圈部位連接曲線起點的 基準面，然后在躍層/跨圈部位連接曲線向與躍層/跨圈部位起始點重合的新建基準面上 投影的投影線上插入相同數(shù)量的個坐標控制點，并按照與插入坐標控制點一一對應的關系 插入若干個共軸基準面；按照復合纖維纏繞時的實際形態(tài)和近似曲線計算出插入的坐標控 制點的坐標參數(shù)，并向與之對應的新建臨時基準面旋轉坐標變換形成新的坐標控制點；在 三維設計環(huán)境中將新生成的坐標控制點用樣條曲線連接起來形成新的纏繞曲線躍層/跨 圈部位的中心線；實現(xiàn)復合纖維纏繞時在躍層/跨圈部位三維模型的無干涉要求； 這里創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)集合?〇Pj) = {?<八AXfCPU)}，其中為經(jīng)過空間變換 的滿足圓柱螺旋線方程的點數(shù)據(jù)集合；?!^)為新加入跨層圈部位的點集合。
5. 如權利要求2所述的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征在于，步驟四 中，根據(jù)預定義椎體錐度要求需要計算圓錐型復合纖維纏繞模型中心線控制點坐標時，要 將步驟三中保存的數(shù)據(jù)集合OCpi及)進行計算機三維圖形變換；變換方式為首先進行以纏 繞芯軸軸線為軸心的基準面旋轉變換U、坐標系平移變換A、坐標控制點以原點為參考 點的旋轉變換r2、坐標系平移逆變換2；和基準面逆向旋轉變換;得到滿足錐度要求和 尺寸要求的圓錐型復合纖維纏繞中心線坐標控制點；及對于滿足圓錐螺旋線方程的三維空 間點集合）中的任意點可以簡化為是由三維空間點和 經(jīng)過三維幾何變換得到，也就圮=P(X^z) ，其中r二 T3Ts *1^。
6. 如權利要求2所述的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征在于，步驟四 中，根據(jù)設計要求需要創(chuàng)建圓柱型復合纖維纏繞產(chǎn)品模型時，則不進行計算機圖形變換； 在步驟三中保存的中心線坐標控制點數(shù)據(jù)集Q(PljR)滿足圓柱型纏繞模型中心線的尺寸要 求。
7. 如權利要求2所述的復合纖維可變錐度纏繞模型的構造方法，其特征在于，步驟五 中，將全部的復合纖維纏繞模型中心線上控制點的坐標參數(shù)保存為數(shù)據(jù)文件，然后在三維 設計環(huán)境中按照中心線控制點的創(chuàng)建順序依次導入控制點坐標參數(shù)并在三維環(huán)境中創(chuàng)建 與坐標控制點對應的參考點，在三維環(huán)境中創(chuàng)建通過依次通過全部參考點的曲線作為三維 模型的中心線； 最后在三維設計環(huán)境中調(diào)用實體建模功能創(chuàng)建復合纖維纏繞產(chǎn)品的三維模型。
【文檔編號】G06F17/50GK104504193SQ201410794937
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月20日 優(yōu)先權日:2014年12月20日
【發(fā)明者】方舟, 曹巖, 姚慧, 白瑀, 杜江 申請人:西安工業(yè)大學