CADfil复合材料缠绕工艺仿真软件

CADFIL-Axsym软件包可以为所有旋转对称组件生成缠绕程序，包括管道、球体、气瓶、高尔夫杆、储罐……理论上可以支持全部的回转体结构。此模块支持轴对称回转体的模型建立、缠绕线型的编译以及后置G代码的快速处理输出，并且同时结合过渡模块可以实现过渡缠绕程序的编译。此模块为Cadfil软件的重要模块。

芯模几何结构和缠绕包络线型可以对话框中快速输入和修改。可以显示可视化的图形和文本窗口。

此模块软件可以同时针对凸弧和凹弧数据进行拟合，实现复杂回转体结构的建模。

此模块软件可以实现缠绕机丝嘴运动轨迹线的编译与生成，同时防止机器与芯模碰撞。对于简单的形状，软件也可以自动创建丝嘴运动的包络轨迹线。

创建芯模几何结构后，用户可以交互创建测地线纤维缠绕路径。可以使用摩擦设置创建非测地线的缠绕路径。通过以上方式，方便用户控制缠绕角度和转弯直径。

具备3D可视化模块，用户可以从预设的视点或任何用户定义的视点查看三维几何体和纤维缠绕轨迹以及路径。

对于逐渐变细的杆身（如高尔夫杆身）等零件，用户可以使用恒定角度选项生成恒定缠绕角（非测地线）路径。

通过以上可以实现回转体结构的角度灵活控制，满足设计人员的需求。

在创建了具有两个转折点的纤维路径后，该软件根据材料参数（如纤维带宽度以及要使用的纤维的数量和类型）计算覆盖芯模所需的缠绕循环数量。

将创建一个缠绕线型图案表（请参见右图），用户可以选择所需的缠绕线型图案（切点形式）。如果需要，可以调整循环数量以提供其他的缠绕图案选项。

具有3D可视化功能（见下文）可以在3D中查看选定的缠绕线型图案。

此模块同时可以向用户提供重要数据，如零件的厚度图和使用的纤维量。可以提供转接接口来输出有限元软件的数据。

生成的数据均可以保存在计算机的相应位置。所有CADFIL数据文件都是文本文件，如果需要，可以随时查看。

缠绕设备可以在芯模周围以3D方式来显示，或者如果需要，用户可以自己定义丝嘴形状以及尺寸，并且实现完整的缠绕3D动画演示，包括所有缠绕设备各轴的运动，特别是丝嘴旋转轴和偏航轴。

程序生成的最后阶段是后处理，将纤维缠绕路径转换为机器控制数据。根据机器上可用的轴，可以设置许多控制选项，如可以设置不同的速度控制选项，以减少缠绕时间或限制轴加速度。同时软件可以给用户同步计算缠绕时间。

Cadfil是为客户提供缠绕机配置选项。Cadfil可以提供多种缠绕设备胡配置，以便用户可以选择要使用的缠绕设备。Cadfil可配置用于所有类型的纤维缠绕机，同时实现2到6个控制轴的控制系统。

下面的图片显示了Cadfil在6轴机器上的缠绕运动。通过六轴联动，Cadfil控制软件可以解决封头端部纤维带宽变窄的技术难题。

Cadfil可用于创建有限元几何图形和数据，以便导入到您的分析包中。有限元接口是Cadfil Axsym的附加软件包。

在像封头这样的双曲面上，角度和厚度是连续变化的。对于多层纤维缠绕层，在有限元软件中直接创建既困难又耗时。Cadfil提供了许多解决方案，客户成功地生成了用于Nastran、Patran、Femap、Hyperworks、Optistruct、ABAQUS和ANSYS等的Cadfil有限元分析数据。

Cadfil软件除了可以创建几何形状和纤维缠绕层结构体外，在某些情况下还可以创建边界条件和载荷情况。并且可以直接从Cadfil数据库中指定正交材料数据，该数据库可供用户根据需要添加或删除材料。

CADFIL® Elbow 弯管缠绕软件可作为独立的模块，例如Cadfil Axsym/Cadfil Lite作为独立模块。CADFIL® Elbow软件包的所有高级图形功能都可用于分析机器运动、碰撞检测和标准查看选项。此参数化包可用于标准弯头/弯头缠绕，也可用于创建具有二维脊椎的复杂多弯头管件。所有Cadfil软件均在标准Windows PC上运行。

•  The弯管的芯模几何结构和缠绕设备间隙包络可以从易于使用的对话框中快速输入和修改，图形和文本窗口将实时自动更新。

• 凸弧和凹弧可以在数据位置之间拟合，并根据需要进行编辑。

• 适用于全长或局部区域的螺旋或环向缠绕

• 芯模可以通过芯模编辑器或IGES文件定义

• Cadfil在程序中计算出丝嘴与芯模的可能碰撞点。

• 对于复杂的弯管，还可以检测和分析缠绕带与芯模其他部分的自交叉。

• 通过查找程序的相关点，可以在三维图形查看窗口中更详细地查看这些点。

Cadfilâ-Lite提供了功能更强大的纤维缠绕功能，主要是具有用于常见几何形状制品的快速简单的“参数编程”界面。许多强大的3D图形和可视化功能与CADFIL-Axsym相同。其主要是通过Cadfil“QuickCad”用户界面创建纤维缠绕程序。

所有Cadfil软件都在Windows 10以上版本上运行，并配有USB数据密钥和全面的在线和离线升级系统。购买价格中还包括前12个月的电话/电子邮件/网络支持和软件升级。并且可以提供客户需求，提供扩展支持。

Cadfil-Lite模块可以实现以下缠绕功能:

❖ 基于圆柱段部件的螺旋向纤维缠绕, 如：管件, 传动轴

❖ 包含 Cadfil-PipeWinder+（管件缠绕） 模块

❖ 基于圆柱段部件的单层环向缠绕以及多层环向缠绕

❖ 带封头圆柱段部件螺旋向测地线缠绕  (主要是封头等极孔缠绕)

❖ 椭圆封头、碟型封头以及其他标准封头的圆柱段部件螺旋向测地线缠绕

❖ 圆柱段部件（不带封头）过渡线型设计，可实现多层连续缠绕

Cadfil Lite+模块附加功能:

❖ 带封头圆柱段部件螺旋向非测地线缠绕 (不等极孔缠绕)

❖ 带封头圆柱段部件过渡线型设计，可实现多层连续缠绕

带封头的复合材料压力容器

概述
此软件选项构成Cadfil Lite系统（及更高版本系统）的一部分。Cadfil-Lite具有测地线缠绕功能，而Cadfil-Lite+模块具有非测地线缠绕和过渡线型设计功能。软件根据不同的模块进行自动识别，不可用的选项通常为“灰色”，无法点击以及输入相关的内容。

左图所示的选项为圆柱段缠绕，同时可以实现不带封头、一端带封头以及两端同时带封头的不同结构件，通过下拉菜单可以快速的进行封头形状的选取。

针对快速建模系统，具有“球形封头”、“碟型封头”、“椭圆封头”以及“无封头”模块。

软件通过两步简单操作即可实现模型以及缠绕线型的设计：

1] 从软件菜单“ QuickCad menu” 选择 ‘Vessel with endcaps’ 选项。

2] 界面如上图所示. 需要输入的数据信息包括：芯模参数, 包络线参数以及纤维缠绕参数。

芯模几何参数:

芯模几何参数定义包含四个部分：圆柱体半径（R1）、圆柱体长度（L）以及左右封头类型。L和R1可以在右边的图中看到。

下拉框可用于选择封头类型。在下面的图片中，右端封头被设置为“椭圆”。

对于每种类型的封头形状，可能需要其他参数R2和R3。这取决于封头类型，并在下一页中进行了说明。

芯模几何参数. 封头类型：

对于所有情况，R1是圆柱体半径。

对于球体封头，不需要任何参数，因此不使用R2和R3。 

对于椭圆封头，其短半轴长度R2 需要进行设置。

对于复球封头（等应力封头），两个参数需要进行设置：R2为“转向节半径”，R3为端部半径。这是压力容器的一种常见形式，因为对于给定体积的容器，其总长度一般较短，应力分析比真正的球形封头更为复杂。对于这种类型的容器，R2通常为约0.1xR1，并且R3＞2xR1。R3不可能小于R1。

对于无封头类型，纤维不在端部缠绕，它在圆柱体上进行缠绕。

丝嘴包络线设计 (缠绕间隙设计).

丝嘴与芯模的间隙参数如下图所示，它们是尺寸C1、C2、SL和SR。

缠绕机的丝嘴将沿着下图所示的蓝色曲线移动。

如果缠绕设备只有两个轴或采用“2轴模式”勾选框（左边的图所示）。只有C1参数是必需的，不能输入其他参数。在这种情况下，不使用横向进给（径向）轴。这将限制在某些几何形状上缠绕小角度的可能性。

SL和SR是从缠绕机主轴中心（轴）测量的左右装卡轴的间隙距离。如果芯模没有装卡轴，可以在一端使用零。将这些值设置为对缠绕设备和装卡轴的安全的最小值。

C2是轴向间隙（在每个端部），保证缠绕成型过程中可以覆盖到压力容器筒身段包括封头所在的区域。 

纤维缠绕参数设置

纤维缠绕角 (Wind Angle) 为沿着筒身段的角度 (0o 为轴向方向)， 纤维带宽 (Band Width) 为纤维/预浸带真实宽度。 

摩擦系数（Friction coefficient）用于设计纤维偏离“测地线”路径。如果一端或两端没有封头，则使用它来确定圆柱体上的工艺长度。该值越大，工艺长度越小。如果摩擦系数数值太大，纤维就会打滑。0.1至0.2的值是湿法缠绕的典型值，如果采用预浸带，其具有“粘性”，则可以使用更高的值。

芯模轴旋转方向（mandrel direction）的值为1或-1。如果为-1，芯模轴将沿负方向旋转 。

如果勾选了非测地线框（non-geodesic），则用户可以独立设计缠绕角度并且指定端部开口半径。并且可以使用摩擦系数检查可缠绕性。

如果勾选了过渡缠绕路径框（joining path），则用户必须指定结束位置和开始位置。这些位置是距离心轴原点的距离（见图）。原点左侧的位置为负值，右侧的位置为正值。通过摩擦力用于生成一条纤维缠绕的过渡路径，该路径在指定的两个点处以90度缠绕角度开始和结束。该程序可用于使另外两个缠绕线型连接在一起进行连续缠绕。其中原点始终在圆柱体的中心位置。

纤维缠绕图案选择（切点数与循环数）

 纤维缠绕图案用于通过确保连续重复设计的纤维路径被放置在相对于彼此的正确位置，来得到最终的缠绕层结构。通常涉及通过“级数因子（progression factor）”对计算的设计路径进行小的修改，这可以通过“停留角度（Dwell）”来完成设置修改。在右侧显示的表格中，用户可以单击（例如）“选项1”行以获得切点数为5的纤维缠绕图案，或者单击“选项3”以获得切点数为6的纤维缠绕图案。

通过Cadfil的截屏显示了一个带封头圆柱体压力容器的纤维缠绕的端视图，该圆柱体以1、2和3切点的（最右侧）纤维缠绕图案。

Cadfil 图形显示系统
 可以在3D中查看和旋转最终的缠绕层，并且可以使用3D图形引擎显示和分析缠绕机的位置。如果需要，用户可以状定义机器设备模型，并执行完整的3D动画，包括所有机器运动，如丝嘴和偏航。下面显示了一些例子。

Cadfil可以制作一个纤维缠绕的动画，右边的静止图像显示了这个动画的一部分。它还内置了碰撞检测功能 。

后置处理 (NC G代码生成)

Cadfil的最后一个阶段是后置处理，将纤维缠绕路径转换为机器控制数据G代码。根据机器上可用的轴，可以设置大量的控制选项。可以设置不同的速度控制选项，以减少缠绕时间或限制轴加速度。并且该软件可以计算缠绕时间和材料使用情况。

Cadfil可以由用户配置用于任何具有2-6轴控制的NC纤维缠绕机，包括许多6轴机器人，如ABB和Kuka。可以有多种机器配置，以便用户可以选择要使用的纤维缠绕设备。

右边的图片显示了Cadfil在6轴机器上的动作。Cadfil 6轴控制策略可以完全解决封头端的纤维变窄问题。对于Lite+模块，5轴是标准配置，6轴/机器人是可选配置（需要额外收费）。

Cadfil管件缠绕软件专为管件上的高角度缠绕（40-90度）而设计，非常适合在2轴缠绕机上使用。当缠绕机购买了更高规格包（例如Cadfil Lite）的一部分包含时，可能会有更多的机器轴可用。Pipewinder+由参数程序“管道”、“多管”、“环箍”、“多环箍”和“管道连接路径”组成。本文档介绍了多管的使用。PipeWinder软件包包括完整的后处理和3D模拟选项

多层和角度缠绕模式可以快速生成环向（90度）和螺旋缠绕。管件缠绕一般不适用于低角度（小于30度），因为这涉及到在端盖上缠绕。对于此类应用，Cadfil Lite包更适合。本模块可以自动计算缠绕层的厚度和绕组时间。每一层都考虑到前一次缠绕的厚度，以确保带状图案和纤维角度始终是最佳的。对于每一层，自动计算缠绕角度发生变化的末端的“转弯长度”。对于某些应用，这种长度被认为是浪费的区域，因为它在缠绕后被切掉。

使用本模块创建程序很简单。此文档的上一页显示了一个单一窗口对话框（数据输入屏幕）。程序生成的步骤包括:

1） Enter 输入“表头”信息-基本信息，如芯轴直径和每层恒定的纤维带宽.

2） 单击“添加图层（Add layer）”按钮以激活新图层。输入特定于该层的数据，如缠绕角度等.

3） 单击“添加图层”添加下一个图层。可以使用“删除层”按钮删除层，也可以使用“插入层”按钮插入新层。在这两种情况下，最左边列中的“图层编号”用于选择插入或删除图层的位置。表单最大允许10个单独的层。如果需要更多，可以在前10层之后使用初始“芯模半径”作为最终心轴半径进行第二次管件缠绕层设计。

4） 单击“计算更新（Calculate (update)”按钮，填写数据表中的计算值。系统将要求您保存数据，并且必须提供文件名。如果数据不正确或丢失，将显示错误消息，您必须重新更正数据 。

5）  成功点击“计算更新Calculate (update)”后，“生成NC数据（Generate NC-Data）”按钮变为活动状态，单击此按钮可生成完整的缠绕程序，在NC程序生成后，将计算出完整的缠绕时间。您可以选择在默认文本编辑器（通常为记事本）中查看缠绕程序。

圆柱体半径（Cylinder radius）是缠绕开始时芯模的半径，半径是直径的一半。

间隙半径（Clearance Radius）是指丝嘴与芯模旋转中心的距离，心轴半径为100mm，间隙半径为150mm时，缠绕设备丝嘴与芯模表面的距离为50mm（150-100）。对于具有2个以上轴的缠绕设备，此位置可以在NC代码中自动设置。对于2轴缠绕机，必须手动设置，或者必须输入缠绕机上可能（或固定）的值。如果缠绕机距离芯模轴心很远，则精度会降低（缠绕角度和缠绕图案的变化）。对于直径大于1米的大型芯模，表面间隙为250毫米（10英寸）是可以的。对于直径小于300毫米的小型芯模，表面间距为50-75毫米（2-3英寸）也是可以的。

纤维带宽（Fibre band-width） 纤维在模具上展开的真实宽度.

纤维层的厚度（The band thickness）纤维缠绕到模具上的真实厚度，可以通过尺寸测量得到。

起始位置（Start position），这是沿着缠绕设备的水平运动轴的位置，缠绕将在这里开始，此位置为起始点。它是从一个固定的位置测量的，通常是机器卡盘表面或主轴箱。此引用是在后处理器配置文件中设置的。您的机器供应商或软件供应商应该能够提供建议/或设置此文件。

缠绕总长度（total length of winding），包括两端的过渡转弯长度。如果勾选新的“计算恒定良好长度（Calculate constant good length）”框，Cadfil会找到转弯（废料）长度最长的层，然后使用恒定缠绕角度的长度最为所有缠绕层的计算“良好”长度。即对于所有其他层，缠绕总长度长度变为转弯长度加上良好长度。

摩擦系数（The friction coefficient ），被用于计算过渡转弯长度。Cadfil提供默认的摩擦系数的值，但用户可以更改此值。如果摩擦系数增加，过渡转弯长度就会变短，但如果使用的值太高，纤维就会打滑。通常摩擦系数的使用值范围：0.1-0.2。

芯模旋转（Mandrel rotation +1/-1 ）是芯模旋转的方向，值+1（默认值）表示芯模正旋转（+），-1表示芯模负旋转（-）。

可以使用“添加/插入”按钮创建新图层，也可以使用“删除图层”按钮删除新图层。数据项描述如下。

环向/螺旋按钮（Hoop/Helical Buttons）。每一层都是环向或螺旋向。如果选择了环向，则将以带宽为依据进行缠绕角度的计算。如果希望环向缠绕的带重叠或有间隙，请使用“覆盖系数”参数。螺旋绕组在用户指定的缠绕角处创建+/-纤维缠绕层。

重复次数（Number of repeats）允许缠绕层重复多次。例如，在螺旋缠绕下设置3，可获得3个+/-层。将重复次数设置为高次数是推荐的，因为芯模半径随着每层的增加而增加，因此缠绕角度也将随着每层重复而略有变化。最终，纤维缠绕带之间将开始出现间隙。如果芯模的直径较小，则这种影响更为明显，因为每层的厚度变化将成比例地增大。对于环向缠绕，如果指定其为奇数，即1,3,5，则每层都是一个单独的缠绕线型，下一层将从缠绕长度的另一端开始。

缠绕角（Wind angle）是以度为单位，0°是轴向90°是周向（环向）。对于简单的管件缠绕（无封头），由于转弯长度（浪费）急剧增加，因此建议缠绕角度低于40度是步推荐的。

默认情况下，覆盖系数（Cover factor）为100%。覆盖系数可以通过 “调整”纤维带宽来实现。如果使用200%的覆盖系数，则编程带宽将减半，因此缠绕带将重叠。如果覆盖系数为50%时纤维缠绕带将有间隙。在缠绕过程中，对于不同的缠绕角，带宽可能略有不同，因此如果需要，用户可以在此进行调整。

机器进给速度（Machine feed rate）是每层的纤维缠绕速度。默认值来自SM（配置）文件

每层循环数（Circuits per layer），是整个缠绕层的缠绕程序的循环值。对于环向缠绕，此值始终为1

纤维切点数（Band pattern Number） 用于决定纤维图案的类型. 只适用于螺旋缠绕，对于环向缠绕不适用

停留角（Dwell rotation）是端部进行额外的芯模旋转，以得到预期缠绕图案。可通过保持默认带模式（模式0）来实现最小化停留量。

缠绕时间（Wind time）是缠绕层的缠绕时间，时间总数显示在底部。

缠绕图案模式和进给速率模式选择的下拉菜单如上所示。其中缠绕图案有三个选项，用户可以选择为每层自动选择切点数为1的缠绕图案，或者选择停留时间最小的缠绕图案。在手动模式下，用户可以从每个层的图案表中进行选择。