纤维缠绕
纤维缠绕(Filament Winding)模块用于对轴对称回转体(如压力容器、储气罐等)进行缠绕路径规划。目前仅支持轴对称回转面。
在 功能 > 纤维缠绕 菜单中显示或隐藏缠绕面板,在 模型 > 椭球封头圆柱 菜单中创建可用作缠绕芯模的几何节点。
1. 创建缠绕芯模
点击 模型 > 椭球封头圆柱 创建一个几何节点作为芯模。该几何是一个回转体,由中间的圆柱筒体段和两端的椭圆封头段组成,回转轴与 Z 轴对齐,示意图如下:
芯模节点的属性(在节点属性面板中修改):
- 筒体长度:中间圆柱段的长度;
- 封头高度:两端椭圆封头的高度;
- 长半轴:封头椭圆的长半轴,即筒体段半径;
- 短半轴:封头椭圆的短半轴。
参数修改后芯模几何会实时更新。注意短半轴不能大于长半轴,封头高度不能大于短半轴。
2. 设置芯模与缠绕参数
在场景中选中芯模节点,点击缠绕面板中的 设置(Set) 填入节点路径。路径文本框为只读,切换芯模时需重新选择节点并点击 设置。
| 参数(英文界面) | 含义 | 默认值 |
|---|---|---|
| 左极点偏移(Left Pole Offset) | 从模型左端沿回转轴向内定位左极孔边界的距离 | 0 mm |
| 右极点偏移(Right Pole Offset) | 从模型右端沿回转轴向内定位右极孔边界的距离 | 0 mm |
| 左侧回程长度(Left Return Length) | 从左极孔边界向主体方向量取的轴向距离,用于确定左回转区与主体区的分界 | 0 mm |
| 右侧回程长度(Right Return Length) | 从右极孔边界向主体方向量取的轴向距离,用于确定右回转区与主体区的分界 | 0 mm |
| 摩擦系数(Friction) | 当前面板保留该输入;线型所需摩擦系数由算法计算,当前线型搜索未按此输入值筛选结果 | 0.3 |
| 缠绕角度(Winding Angle) | 主体区的目标缠绕角度;在圆柱筒体上为路径与回转轴的夹角 | 10° |
| 角度容差(Angle Tolerance) | 搜索可行缠绕线型时允许的角度偏差 | 1° |
| 丝束宽度(Tow Width) | 单根丝束的宽度,同时用于线型计算和两端中心线位置调整 | 6.4 mm |
| 缠绕层数(Winding Layers) | 需要缠绕的层数 | 1 |
2.1 极孔边界与回转区
“左”和“右”按模型回转轴上的坐标定义:坐标较小的一端为左端,较大的一端为右端,与观察视角无关。极点偏移和回程长度均为轴向距离,沿曲面母线的弧长可能与之不同。
设模型两端轴向坐标为 z_min、z_max,左、右极点偏移为 dL、dR,左、右回程长度为 rL、rR,则:
两侧极孔边界与主体区之间的区间用于路径回转。极点偏移为 0 时,极孔边界位于模型端点;增大偏移量会使对应边界向模型内部移动。这些设置用于划分路径计算区间,不会修改芯模几何或创建实际孔洞。
回程长度需要根据芯模形状设置,软件不会自动采用圆柱筒体与封头的几何接合位置。例如,要让主体区从圆柱筒体起点开始,应将左回程长度设置为左极孔边界到该起点的轴向距离。
下图沿用前面的椭球封头圆柱轮廓,直接在模型上标出极孔边界、回转区和主体区。图中上端为轴向坐标较小的“左端”,下端为“右端”;橙色区域为回转区,蓝色区域为主体区。右侧放大封头表面,标出极孔边界到中心线端点的半宽补偿。
例如,模型轴向范围为 0~1000 mm,左右极点偏移均为 50 mm,左右回程长度均为 150 mm,则极孔边界位于 50 mm 和 950 mm,主体区为 200~800 mm。
设置后应保证各边界位于模型轴向范围内,左极孔边界不超过右极孔边界,主体区起点不超过终点。偏移量或回程长度过大导致区间无效时,软件不会生成路径,可在日志中查看提示。
2.2 丝束宽度对中心线路径的影响
规划路径表示丝束的中心线。每次计算时,软件都会以设置后的极孔边界为基准,尝试沿曲面母线向内移动半个丝束宽度,为丝束边缘预留空间。该步骤始终参与计算,极点偏移为 0 时也会执行;修改极点偏移会改变补偿的基准边界。
例如,丝束宽度为 6.4 mm 时,目标调整量为沿母线向内 3.2 mm。这不是固定的轴向偏移,在弯曲封头上对应的轴向距离取决于曲面形状。
回程长度会限制中心线调整
调整后的中心线不能越过回转区与主体区的分界。回程区不足以容纳半个丝束宽度时,实际调整量会减小;对应回程长度为 0 时,调整会被限制回极孔边界。因此,不能仅凭设置了丝束宽度就认为两端一定预留了完整的半宽空间。
3. 计算缠绕路径
设置好参数后点击 计算。软件会在目标角度附近搜索可行的整数缠绕线型,并将结果列在表格中:
- 线型:以
p/s/k/nd表示的缠绕线型; - 相位误差:实际缠绕周期相位与线型所需相位之差;
- 角度误差:实际缠绕角度与目标角度之差;
- 摩擦系数:该线型对应的纱线所需最大摩擦系数。
搜索完成后,软件会自动使用表格第一行的线型生成一个缠绕层节点;双击表格中的任意一行,则使用该行对应的线型生成缠绕层。如果找不到可行线型,会弹出错误提示,可检查两端区间设置,并尝试调整缠绕角度、容差、丝束宽度或缠绕层数。
修改芯模或参数后,应重新点击 计算 更新线型列表,再选择线型生成路径。
4. 缠绕层节点
生成的缠绕层节点(如 缠绕层 10°)是轨迹类节点,可以直接参与仿真与后处理。
缠绕层节点的属性(在节点属性面板中修改):
- 显示带状网格:显示预浸带带状网格;
- 显示边界线:显示缠绕带的边界线;
- 仿真时显示带状网格:仿真过程中显示带状网格。
节点的路径姿态由缠绕算法在芯模表面计算得到,双击节点可查看其轨迹与姿态。