答辩博士：张乐恩
指导教师：王小平 教授
论文题目：复合材料自动铺丝路径的生成、优化与可铺放性研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：李东波 教授/博导 南京理工大学
肖 军 教授/博导 南京航空航天大学
李 勇 教授/博导 南京航空航天大学
周来水 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
王小平 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年10月6日14:00
地点：南航明故宫校区15#341
学位论文简介：
随着复合材料的工程应用日益广泛，自动铺丝（纤维自动铺放）及其路径规划已成为新型制造技术研究的热点。在自动铺丝路径规划过程中，如何实现等距路径的自适应生成、解决铺丝方向满足产品结构设计要求问题，对提高自动铺丝效率、缩短铺丝产品的制造周期具有重要意义；而优化已生成的路径、将路径离散化并从中选择最佳纤维角度，是提高整个复合结构效率、满足材料力学性能要求的关键。另外，为了评估铺丝路径能否保证预浸丝束在不发生变形过度的情况下铺放、避免丝束变形过度对铺层质量产生重大影响，还需制定路径的可铺放性评估准则。因此，本文的主要工作和成果如下：
（1）提出了基于网格化芯模表面的铺丝路径规划预处理方法。详细分析了自动铺丝过程，研究了铺丝路径的各种设计要求，并在此基础上提出了芯模表面（铺放表面）的网格化方法，对铺丝路径规划进行预处理。该方法能够充分表达芯模表面的几何特征与受力特征，有利于实现考虑外部承载信息的铺丝路径规划。另外，为了提高网格结构数据的关联性、更加快速有效地生成铺丝路径，对编辑网格型面的STL文件进行了拓扑关系重建，并举例说明了重建过程。
（2）提出了基于网格动态表示的铺丝路径自适应生成算法。利用移动界面数值模拟方法，在网格曲面上模拟铺丝参考路径的迭代生成与等距离波动传播，实现等距铺丝路径的网格动态表示。针对铺丝方向局部异常问题，提出求解最佳参考路径的自适应算法，使每条路径的铺丝方向满足产品结构设计要求。通过最佳参考路径的等距传播，避免了纤维丝束的铺放重叠与间隙，提高了铺放质量。以多个铺放表面为对象进行数值实验，得出的等距铺丝路径与铺丝方向表明了新方法的有效性。
（3）提出了基于高斯分布函数的铺丝路径优化方法。离散铺丝方向是优化铺丝路径的常用手段，针对其中离散铺放角度的优化选择问题，提出利用高斯分布原理对铺丝路径进行优化，仅用一个变量来选择任意数量离散铺放角度中的优化角度。通过调整高斯分布函数中的参数，使整个铺丝方向收敛，并利用空间滤波技术，实现整条路径连续。新方法能够避免离散铺丝方向出现的多个局部最小值问题。作为数值实验，分别对悬臂梁、机翼蒙皮和火箭级间段蒙皮进行了铺丝路径优化，结果表明了新方法的有效性。
（4）提出了基于预浸丝束变形的铺丝路径可铺放性评估方法。在分析预浸丝束变形特征与能力的基础上，提出任意铺丝路径的可铺放性评估准则。以丝束带侧向弯曲时临界屈曲的曲率半径（以下统称临界曲率半径）作为丝束变形能力的评价指标，并通过铺丝路径的测地曲率半径与临界曲率半径之间的关系来评估路径的可铺放性，如果前者大于或等于后者，则铺丝路径的可铺放性良好，反之则不然。为验证这一评估准则，分别以锥面定角度铺丝路径和变刚度层压板铺丝路径为例进行了实例验证，结果表明了该评估准则的合理性。
主要创新点如下：
（1）基于网格化芯模表面的铺丝路径规划预处理方法：比已有的参数化曲面法更加先进，该方法能够充分表达芯模表面的几何特征与受力特征（与参数化曲面法不同），有利于实现考虑外部承载信息的铺丝路径规划。另外，对用于网格编辑的STL文件进行了拓扑关系重建，提高了网格结构数据的关联性，使网格面上的铺丝路径生成更加快速有效。
（2）基于网格动态表示的铺丝路径自适应生成算法：首先，芯模表面是通过网格面（而不是参数曲面）来定义，可涵盖铺丝方向信息和复杂的表面几何特征信息，有利于在复杂曲面上生成铺丝路径；其次，集合了平行法和平移法的优点，弥补了它们的不足，在保证等距铺放的同时，所有路径的铺丝方向满足产品结构设计要求。
（3）基于高斯分布函数的铺丝路径优化：算法简单，仅使用一个变量来选择任意数量离散铺放角度中的优化角度，可实现整个铺丝方向收敛（与离散材料优化方法不同）、整条路径连续，且初始路径配置的灵敏度较低。
（4）基于预浸丝束变形的铺丝路径可铺放性评估方法：提出了铺丝路径的可铺放性评估准则，并给出了改进路径可铺放性的工艺方法，从而解决了铺丝路径规划的工程实际应用问题（目前已有的路径规划技术主要集中在路径的生成与优化等方面的理论算法）；另一方面，在预浸丝束的厚度、纤维等级等固有属性确定的情况下，利用所提准则对路径可铺放性的评估结果，指导加工参数的优化，提高了自动铺丝工艺设计效率和铺层质量。
