拟合任意空间曲面的B3样条方法及其实现

在计算机辅助几何设计中,曲线,曲面拟合多彩多项式作为基函数,本文通过几种曲线,曲面生成算法分析,提出了一种Ｂ３样条的拟合方法。它具有Ｂ样条的主要优点,且通过所有型值点,这一方法适用于自由曲线,曲面的设计。本文还结合拱坝体形设计实例说明了用此方法进行造型设计的方法。     

BSURF—GI系统通过鉴定

由南京航空学院机械系周儒荣教授主持研究的国防科工委和航空航天部“七五”重点科研课题“交互式曲面造型系统BSURF—GI”最近在南京通过了部级技术鉴定。鉴定表明,该系统在32位计算机工作站曲面造型领域中居国内领先地位,其主要功能达到了同类软件80年代末期国际先进水平。 该系统是一个计算机辅助曲面造型的应用软件,它具有非常强的曲面造型功能,可完成曲面求交、曲面过渡、曲面裁剪、曲线曲面光顺、曲线曲面延伸,曲线曲面混合、修改、分析等。     

汽车单叶片真空泵设计中的最优椭圆曲线

单叶片真空泵的设计主要是确定泵体内腔曲面,使同时作旋转运动和径向滑动的叶片的圆柱形端面和它保持相切。泵体内腔曲面的投影必须是一条封闭的光滑曲线。设计时,这条光滑曲线的一部分通常被提前选定,而剩余部分则根据几何约束产生。尽管一般的椭圆曲线可以满足参考曲线和生成曲线在连接点一阶可导,但在连接点通常是二阶不连续的。将找出一条最优的椭圆参考曲线,使得泵腔形线在连接点处不仅是一阶连续的而且是二阶连续的。这将使得泵的运转更加平稳并减小由于叶片径向加速度不连续产生的振动和噪声。     

密切弯曲激波乘波体技术的应用及有效性分析

将密切技术设计乘波体的应用推广至弯曲激波外锥流场中。针对不同激波形状(ICC)约束条件,在凸、凹激波曲外锥流场中,生成了四种构型的密切弯曲激波乘波体,采用数值模拟及理论分析的手段开展了密切弯曲激波乘波体技术应用的可行性验证及有效性分析。研究结果表明:(1)基于密切凸、凹激波外锥流场的乘波体乘波压缩面、出口截面压力分布、激波形状(ICC曲线)均与设计吻合,最大偏差小于5%,说明密切凸、凹激波外锥流场的方法设计乘波体是可适用的;(2)利用宽高比为0.5的超椭圆方程作为ICC控制曲线生成的乘波体,流场压力的理论解与数值解偏差可控制在1.6%以内,而宽高比为2的超椭圆方程作为ICC控制曲线生成的乘波体,流场压力偏差可控制在4%以内。     

基于任意空间曲面三角函数拟合方法及其应用

本文详细讨论了一种基于三角函数的拟合方法，它具有B样条的主要优点，达到C3连续，而三次B样条只能达到C2连续。此外，它还解决了多项式不能描述椭圆等问题，因此这一方法适用于自由曲线曲面的设计。本文还结合实例说明了用此方法进行造型设计的技术应用。     

拟合任意空间曲线曲面的三角函数法

在计算机辅助几何设计中，曲线曲面拟合一般多项式作为基函数。本文提出了一种基于三角函数的拟合方法，它具有B样条的主要优点，并达到C3级连续，因此，这一方面适用于自由曲线面的设计。本文还结合实例说明了用此方法进行造型设计技术。     

NURBS曲面在气动外形变形中的应用

针对翼吊布局飞机复杂气动外形,建立了基于样条(NURBS,非均匀有理B样条)曲面和曲面叠加技术的曲面变形方法。在对样条曲线性质分析的基础上,以DLR-F6飞机为实例,对其机翼翼根、短舱挂架局部进行曲面网格变形,结果表明该方法能有效表述其复杂几何外形及型面变化特性,并且具有较好的局域性、可控性和光滑性。该方法可有效应用于吊舱挂架等复杂气动外形的建模、表面网格变形及气动外形优化设计等。     

具有公共三次曲线的NURBS曲面片G2光滑拼接算法

非均匀有理B样条(NURBS)曲线、曲面造型理论是当前最先进的几何造型方法之一，大量基于NURBS的实用造型系统得到发展。对NURBS而言，虽然具有参数连续性，但为了实用需要，仍需构造具有一定光滑程度的合成曲面，满足局部设计和修改的目的。在作给出的具有公共三次曲线的NURBS曲面片G^1光滑拼接算法基础上，给出了具有公共三次曲线的NURBS曲面片G^2光滑拼接条件，得到了相应控制顶点、权系数的具体算法；对于一个已知NURBS曲面，构造另一个NURBS曲面，使其达到G^2拼接是简单易行的。     

科技成果

我国先进制造技术取得新突破 日前,由中国航空精密机械研究所研制的非球面曲面超精密加工机床成功交付用户。 非球面曲面超精密加工机床具备超精密金刚石车削、铣削功能和超精密金刚石砂轮磨削功能及其他相应辅助功能,主要用于完成超精密平面、球面以及包括非球面曲面等在内的复杂面形光学零件的超精密加工。     

曲率连续的分段(片)三次有理Bézier曲线(曲面)算法

本文介绍了在CIDER软件开发中提出的分段(片)三次有理Bèzier曲线(曲面)算法。该算法将逼近和插值融为一体,较好地解决了段(片)之间的曲率连续、嵌入解析曲线段(曲面片)、曲线(曲面)的二阶连续拼接和曲线(曲面)局部修改等问题。     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题。考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法——几何背景网格法。该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计。采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计。数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局。     

基于Catmull—Rom几何样条的过渡曲面构造

给出了基面为(G1,K=1)Catmull-Rom或(G2,K=2)Catmull-Rom几何样条曲面的五次(G2连续)及三次(G1连续)超限插值过渡曲面的方法.     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题.考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法--几何背景网格法.该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计.采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计.数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

基于B样条的机翼外形参数化方法研究

描述了基于B样条的机翼外形参数化方法在超临界翼型和机翼气动设计中的应用研究。在机翼外形参数化过程中,通过B样条曲线插值和拟合型值点生成机翼截面曲线和展向引导线,采用Coons Gordon方法通过自由放样和点阵插值获得B样条张量积曲面并进行叠加,进而获得插值于机翼表面曲线网的B样条曲面。还运用CFD工具对不同机翼放样面的气动性能进行了分析对比。通过研究,B样条控制点可作为设计变量传递给气动优化程序,采用B样条曲线或曲面表达式为各设计变量的线性组合,可以方便快捷获取几何梯度信息。     

凹回转曲面纤维缠绕架空分析及应用

针对诸如带喷管固体火箭发动机的凹曲面过渡段等负高斯曲率面的缠绕,应用微分几何曲面理论推导出了凹回转曲面的纤维缠绕架空条件及判据,并对不同的过渡段曲线进行了分析,分别给出了判别公式。通过缠绕实验验证了架空判据的正确性和实用性,表明采用单叶双曲面比采用凹圆曲线回转曲面具有更好的缠绕工艺性,且其直纹线的缠绕角恰好为不架空的临界缠绕角;缠绕时,为了保证运动的平稳性,需要剔除奇异点,进行平滑处理。     

基于超椭圆方程和序列响应面法的回转壳开孔形状优化

含有多种功能开孔的轻质回转壳结构是航空航天结构系统内的常用支撑构件,其开孔形状直接影响结构的静动态性能。以回转壳结构为对象,基于超椭圆方程和坐标映射变换推导了回转壳开孔边界的参数化表达,开展了开孔形状动力学优化研究。为提高结构优化计算的精度、效率和收敛性,提出了准等弧长方法和基于均匀设计的序列响应面近似建模方法(SRSM),以分别实现空间超椭圆曲线的精确逼近、减少结构有限元分析成本和加快迭代收敛。以非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)作为响应面模型求解算法,结合有限元分析构建了回转壳开孔形状优化设计流程,开展了最大化结构一二阶频率带隙的典型回转壳结构开孔形状优化设计。结果表明,基于超椭圆方程和序列响应面法的开孔优化方法获得了有效改进结构动态特性的回转壳开孔形状,对开展计算耗时工程结构形状优化设计具有一定应用价值。     

Bézier基函数的导出

Bzier教授在《数值控制》一书中,对Bzier曲线曲面作了优美而详尽的说明。Bzier基函数的表达式表于本文（2）和（3）。 Bzier曲线有着很多重要的和有趣的几何性质。这些性质是Bzier基函数性质的直接推论。到目前为止还没有见到关于导出这些基函数的文献。 本文证明了从Bzier曲线的三条简单的、合理的几何要求出发,用两种不同的计算方法可以完全确定并导出这些基函数。     

人机系统的计算机动态图形模拟

介绍了开发的人－机－环境系统模拟软件MMES的几何建模方法和动态图形显示方法。用实体造型方法建立机器的几何模型,用Bezier曲面表示人体的几何外形。对在整体坐标中测得的人体表面数据进行坐标转换,用各肢体的局部坐标系下的数据表示肢体。将各肢体定义为图形物体,并按一定的次序显示,在SGI工作站上实现了人体系统的动态图形模拟。     

量化六自由度并联机构工作空间的六维超椭球体计算方法及其应用

基于头盔伺服系统执行机构的结构优化设计需求,提出了一种量化六自由度并联机构工作空间的六维空间超椭球体的计算方法,该方法的计算过程包括二维包络椭圆的求解和六维超椭球体的计算两部分。首先,重新总结和归纳了包络椭圆的定义,提出了包络椭圆的计算方法,在计算过程中提出了椭圆中心坐标修正步长、包络椭圆的两半轴长修正因子以及纵轴半轴长修正步长等概念,实现了对椭圆中心和半轴长的动态修正,提高了包络椭圆计算的准确性和智能化水平,采用调整系数来实时修改修正步长,保证了计算过程的收敛性;其次,给出了判定包络椭圆的条件和方法,方便了对计算方法有效性的验证;再次,提出了根据投影面内包络椭圆几何信息求解六维超椭球体的方法;最后,对包络超椭球体的计算方法进行了实例计算与验证,并通过实例计算对该方法用于六自由度并联机构工作空间优化的可行性和实用性进行了验证。结果表明:各投影面的包络椭圆均符合判定条件,即本文对包络椭圆与超椭球体的计算是准确的;优化结果对应的工作空间内接六维超椭球体能完全包含目标工作空间的包络超椭球体,即采用超椭球体来量化和优化六自由度并联机构工作空间是可行的,且具有较好的实用性。     

基于复杂截线的NURBS双向蒙皮造型方法

通过对NURBS造型方法技术的研究,在我校自主开发的SuperManCAD/CAM集成系统中成功地实现了基于复杂曲线的NURBS双向蒙皮曲面的造型功能,建立了完全基于NURBS方法的CAD/CAM系统。大量的工程应用和实例验证,表明本研究的NURBS方法是一种适用于复杂外形产品设计与制造的、灵活有效的造型方法。