[发明专利]确定多个复合材料层在结构体积内的分布

说明书

技术领域

本发明涉及用于设计用多个材料层如多个复合材料层制作的结构的方法和装置。更具体地，本发明涉及确定用于填充结构体积的多个材料层的分布。

背景技术

现今，汽车、航空航天、风能、船舶和国防科技中的很多制造品可以包括用多层复合材料制作的结构。如果适当地设计和制作，则多层复合结构可以优于用常规方法制作的结构，例如，通过对工件进行弯曲、切削和紧固或通过用单一材料铣削的结构制作的结构。与由常规方法制作的结构相比，多层复合结构可以提供优良的耐久性和强度重量比。由于复合结构可以被定制成满足特定应用的具体的要求，所以，与比常规结构相比，复合结构可以根据特定的应用提供另外的优势。

设计和制作包括多个复合材料层的结构会带来工程挑战。当前的计算机辅助设计（CAD）工具很好地适于提供用于辅助传统的结构设计和制造的尺寸数据，例如，向渲染提供用于指导工件的铣削的尺寸数据。然而，CAD工具没有很好地适于提供用于指导用多个复合材料层制作结构的数据。

已经开发了用于扩展CAD工具的功能的附加工具，使得CAD工具可以用于设计复合结构。美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市的VISTAGY有限公司提供了若干附加工具，如可以向CAD软件包添加纤维复合多层设计功能的产品这样的附加工具已经被设计工程师与CAD工具结合使用以促进构思的多层结构发展成商业产品。然而，即使使用这些工具，多层复合结构的设计仍然可能很困难并且是计算密集型的。通常，事先不知道每个层应该多大以及应当如何在结构的体积内分布不同大小的层。通常，以连续的试验-错误布局来分布层，其中每次试验都重新计算数据。在识别层的可接受的分布之前，可能需要大量的迭代。

发明内容

发明人已经认识到并且理解，设计多层结构如用复合材料制造的这些结构在某种程度上是具有挑战性的，因为确定多个复合材料层在要制作的三维结构内的分布的任务可能是耗时的。当前用于限定用于填充结构的层的处理可能是高度手动的，需要大量的CAD建模技能，并且需要相当大的计算机存储能力以及功能强大的计算机。此外，当前的处理可能很容易出错并且不可能产生准确且可再现的结果。发明人认识到，当需要大量的层，该结构的形状是非普通的并且可能具有强加于该结构的一个或更多个设计和/或性能约束时，确定如何要用多个层来填充该结构的体积可能相当困难。为了克服与多层设计相关联的困难，发明人已经设计出了用于辅助确定多个复合材料层在设计结构内的分布的方法和装置。开发了可以在设计阶段在结构内对层有效地进行分布和重新排序的计算方法。可以进行层的重新排序或“重排”以满足某些设计和/或性能约束。

在某些实施方式中，针对预期的复合结构限定了层变换辅助线，并且计算该结构的两个表面上的等高线。层变换辅助线可以从一个表面上的等高线延伸到另一表面上的相应的或配对的等高线。层变换辅助线可以用于估计在填充该结构的多层堆叠内被移动或被重新定位的任意层的大小和形状。上述方法和装置可以提供表示该结构内的每个层的尺寸和配置的输出层配置数据，并且可以用于快速地提供多个层的替选分布。在一些实现中，提供了“平坦图案”数据，用于指导从平坦的片材来切割出每个层。在多种实施方式中，结合CAD工具来使用上述方法和装置。

在示例性实施方式中，用于设计多层结构的方法可以由至少一个处理器来执行，至少一个处理器适于执行以下处理步骤，这些处理步骤包括：（a）接收限定多层结构的尺寸的设计数据，（b）接收限定用于形成该多层结构的多个层中的至少一个层的至少一个层参数的参数数据，以及（c）计算至少一个层变换辅助线，其中，层变换辅助线识别布置在多层结构内的多个位置中的任一位置处的至少一个层的至少一个配置参数。处理器还可以适于执行以下步骤，这些步骤用于：（d）接收用于在多层结构内重新定位至少一个层的指令，以及（e）基于用于重新定位的指令和至少一个层变换辅助线来确定至少一个层的层配置数据。层配置数据可以包括存储在至少一个制造的数据存储设备中的、表示层的三维形状或表面的数据。