一种面向连续纤维激光增材制造的回转体路径规划方法

本申请属于增材制造，更具体地，涉及一种面向连续纤维激光增材制造的回转体路径规划方法。

背景技术：

1、连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料凭借高比强度、高比模量、轻量化及耐腐蚀等优异特性，在储氢压力容器、高速电机护套、雷达天线罩等回转体构件中得到广泛应用。当前主流成型工艺为湿法缠绕，该工艺以纤维张力、纤维-芯模界面滑移系数为核心约束，基于半测地线方程开展路径规划。然而，该方法难以实现回转区尺寸与位置的精确化设计，且纤维在极孔部位根切铺放易形成局部过度堆积，造成构件厚度不均、力学性能离散性大。

2、连续纤维激光增材制造以连续碳纤维热塑性预浸丝/带为原料，通过激光实时加热软化树脂基体，配合压辊压实贴合芯模曲面，经原位固化、逐层沉积实现构件一体化成型。该工艺无需考虑纤维张力与界面滑移系数约束，路径设计自由度更高。然而，现有路径规划方法直接借鉴湿法缠绕或通用3d打印思路，导致连续纤维激光增材制造过程中，回转区尺寸与极孔切根位置难以精准调控，极孔根切部位易出现纤维过量堆积，易产生丝束褶皱扭曲，路径闭合性与全覆盖性不足等问题，最终导致成型精度较差。因此，亟需一种专门适配激光增材制造工艺的回转体路径规划方法，实现回转区精准可控成型、抑制极孔纤维堆积、保障路径闭合全覆盖。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种面向连续纤维激光增材制造的回转体路径规划方法，旨在解决现有回转体路径规划方法易导致成型精度较差的技术问题。

2、本申请的第一方面涉及一种面向连续纤维激光增材制造的回转体路径规划方法，包括：

3、根据回转体的结构特征，将所述回转体的外表面沿轴向划分为头部回转区、螺旋打印区和尾部回转区；

4、基于测地曲率约束生成多条第一周期打印路径，且各条第一周期打印路径中停留弧的轴向位置互不相同；所述第一周期打印路径由第一螺旋打印段、尾部回转打印段、第二螺旋打印段、头部回转打印段依次首尾衔接构成；所述第一螺旋打印段和第二螺旋打印段在螺旋打印区内螺旋延伸；所述尾部回转打印段在尾部回转区内，所述头部回转打印段在头部回转区内，均先由螺旋延伸平滑转向为环向延伸，再由环向延伸平滑转向为螺旋延伸；所述停留弧为所述环向延伸的路径段；

5、基于路径闭合与全覆盖约束，调整所述第一周期打印路径中各停留弧的长度；拼接所述多条第一周期打印路径，使各个相邻第一周期打印路径首尾衔接构成第二周期打印路径；

6、将所述第二周期打印路径沿所述回转体的周向阵列复制多份并相邻首尾衔接，形成闭合的全周期打印路径，所述全周期打印路径完全覆盖所述回转体的外表面。

7、优选的，基于测地曲率约束，生成多条第一周期打印路径，具体为：所述第一周期打印路径上任一点的测地曲率不超过预浸料在满足成形质量要求下所允许的测地曲率上限值。

8、优选的，所述第一周期打印路径上任一点的测地曲率具体为：

9、

10、其中，为轴向坐标，是轴向坐标变化量，是螺旋角，是螺旋角变化量，是螺旋角函数，是径向半径函数，是径向半径函数求导。

11、优选的，由螺旋延伸平滑转向为环向延伸，具体为：螺旋延伸的螺旋角逐渐从预设值过渡至90°，完成由螺旋延伸平滑转向为环向延伸的转变；

12、由环向延伸平滑转向为螺旋延伸，具体为：环向延伸的螺旋角逐渐从90°过渡至所述预设值，完成由环向延伸平滑转向为螺旋延伸的转变。

13、优选的，所述螺旋角定义为打印路径切线方向与回转体经线切线方向之间所夹的锐角，螺旋角函数具体表现为：

14、

15、其中，为轴向坐标，是径向半径函数，是径向半径变化量，是旋转角函数，是旋转角变化量，即绕轴旋转的角度，是轴向坐标变化量。

16、优选的，所述各条第一周期打印路径中停留弧的轴向位置互不相同，具体为：所述尾部回转打印段和头部回转打印段内，各停留弧的轴向坐标呈等距或不等距的离散分布。

17、优选的，所述尾部回转打印段和头部回转打印段内，各停留弧的轴向位置沿回转区轴向逐周期递增或逐周期递减。

18、优选的，所述路径闭合与全覆盖约束具体为：

19、

20、其中，为第条第一周期打印路径中尾部回转打印段停留弧的路径旋转角，为第条第一周期打印路径中头部回转打印段停留弧的路径旋转角，为第条第一周期打印路径中尾部回转打印段第一转向部分和第一螺旋打印段的路径旋转角，第条第一周期打印路径中尾部回转打印段第二转向部分和第二螺旋打印段的路径旋转角，是第条第一周期打印路径中头部回转打印段第一转向部分的路径旋转角，是第条第一周期打印路径中头部回转打印段第二转向部分的路径旋转角，是所述全周期打印路径中包含的第一周期打印路径数量。

21、第二方面，本申请提供一种连续纤维复合材料回转体构件，采用第一方面一种所述方法制造而成。

22、第三方面，本申请提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

23、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

24、（1）本申请在生成第一周期打印路径时，强制要求路径上任意一点的测地曲率绝对值不超过预浸料在无褶皱、无扭曲成形要求下所允许的上限值，使回转区转弯段内螺旋角以平缓受控的方式由预设值过渡至90°再对称恢复，从根源上避免因路径面内弯曲过大导致的纤维失稳变形，实现了回转体的精准可控成型。

25、（2）本申请在同一打印循环内生成多条停留弧轴向位置各不相同的第一周期打印路径，使原本集中堆积于回转区末端单一轴向位置的纤维沿轴向错位分散铺设，有效分散局部沉积厚度，消除纤维架空和打印滚轮干涉风险，显著提升构件厚度均匀性与工艺稳定性。

26、（3）本申请基于路径旋转角闭合方程组约束各条第一周期打印路径的总旋转角一致、且每条路径中头尾停留弧旋转角相等，拼接形成第二周期路径后沿周向阵列复制并首尾衔接，确保最终全周期打印路径无缺口、无过度重叠地完整覆盖回转体外表面，满足高端回转体构件的几何尺寸精度与力学性能要求。

1.一种面向连续纤维激光增材制造的回转体路径规划方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的回转体路径规划方法，其特征在于，基于测地曲率约束，生成多条第一周期打印路径，具体为：所述第一周期打印路径上任一点的测地曲率不超过预浸料在满足成形质量要求下所允许的测地曲率上限值。

3.根据权利要求2所述的回转体路径规划方法，其特征在于，所述第一周期打印路径上任一点的测地曲率具体为：

4.根据权利要求1所述的回转体路径规划方法，其特征在于，由螺旋延伸平滑转向为环向延伸，具体为：螺旋延伸的螺旋角逐渐从预设值过渡至90°，完成由螺旋延伸平滑转向为环向延伸的转变；

5.根据权利要求3或4所述的回转体路径规划方法，其特征在于，所述螺旋角定义为打印路径切线方向与回转体经线切线方向之间所夹的锐角，螺旋角函数具体表现为：

6.根据权利要求1所述的回转体路径规划方法，其特征在于，所述各条第一周期打印路径中停留弧的轴向位置互不相同，具体为：所述尾部回转打印段和头部回转打印段内，各停留弧的轴向坐标呈等距或不等距的离散分布。

7.根据权利要求6所述的回转体路径规划方法，其特征在于，所述尾部回转打印段和头部回转打印段内，各停留弧的轴向位置沿回转区轴向逐周期递增或逐周期递减。

8.根据权利要求1所述的回转体路径规划方法，其特征在于，所述路径闭合与全覆盖约束具体为：

9.一种连续纤维复合材料回转体构件，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述方法制造而成。

10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、一个或多个处理器；