大型不规则椭球回转面的曲面重构与仿真加工

提出了大型不规则椭球回转面的一种新的曲面重构与仿真加工方法.基于Geomagic Studio软件,处理大型不规则椭球回转面的采集数据点云,重构了实测曲面的等距面模型;采用Pro/E对实测曲面的等距面模型进行等距操作,生成实测曲面模型;利用Geomagic Qualify软件对实测曲面的等距面模型相对于原始数据点云,以...     

面向脏几何的曲面网格自动生成算法

脏几何是存在法向错误、穿插、狭缝、贴合等问题的几何模型,在此类模型的原始边界上直接生成网格无法避免上述问题。因此,在脏几何上无法直接生成拓扑相容的表面网格,这也将影响后续数值分析研究的开展。本文实现了一种基于四面体化方法的脏几何网格生成算法,其核心思想在于一个有效的四面体网格的表面一定是一个有效的曲面网格。本文对几何的离散表征进行法向修复,并在此基础上生成四面体网格,通过离散边界切割四面体解决了模型中存在的穿插问题,基于四面体质量提升解决狭缝问题,并应用曲面网格重构以提升表面网格质量。本文采用视图采样的方法实现法向修复,从多个方向观察该模型,使其在各个方向上的视图均满足质量要求;使用多级的能量阈值提升四面体优化效率;采用多级误差估计来避免曲面网格重构中可能出现自相交的问题。数值验证结果表明本文的脏几何曲面网格自动生成算法鲁棒、高效。     

大型不规则椭球回转面的曲面重构与仿真加工

提出了大型不规则椭球回转面的一种新的曲面重构与仿真加工方法。基于GeomagicStudio软件,处理大型不规则椭球回转面的采集数据点云,重构了实测曲面的等距面模型;采用Pro/E对实测曲面的等距面模型进行等距操作,生成实测曲面模型;利用GeomagicQualify软件对实测曲面的等距面模型相对于原始数据点云,以及实测曲面模型相对于理论曲面模型进行误差分析;最后利用Pro/NC模块对实测曲面模型进行数控编程和仿真加工。研究结果表明,该方法提高了大型不规则椭球回转面的曲面重构精度,生成的标准数控加工程序具有可移植性,解决了原加工方法对专用设备的依赖。     

航天器在轨全过程表面辐射热计算数值仿真研究

对在轨航天器表面辐射热计算进行了全过程数值仿真研究。航天器结构较复杂,针对不同结构进行区域分解,对几何模型进行相应的规则化,同时采用结构化网格和非结构化网格建立通用的计算网格自生成技术。仿真过程重点考虑了任意曲面的网格自动划分和任意形状交界面的数据传递,兼顾几何结构、物理过程、计算精度和计算速度。将有限元法和能束均匀分布法相结合计算角系数和辐射传递系数。将积分法和能束均匀分布法相结合计算外热流。由于在轨航天器表面多用多层隔热组件包裹,针对这部分结构采用节点网络法和控制容积法计算其表面温度,而未被包裹的结构采用有限元法计算其表面温度。对具有辐射换热关系的非连通区域温度场的有限元计算进行了分析和公式推导。最后,用Microsoft VC++6.0编程设计开发了近地轨道航天器表面辐射热计算仿真软件。     

基于网格重生成的涡轮叶片变形传递方法

在涡轮叶片多学科优化中需要在气动模型和结构模型之间进行耦合信息(气压、温度和变形等数据)传递,来考虑学科耦合的性质.采用修正几何外形和网格重生成的方法实现了叶片结构变形向气动模型传递.传递时在叶片几何模型上增加若干外形控制线,叶片的外形由这些控制线的形状来决定.根据叶片结构变形,调整控制线节点位置坐标,以修改叶片外形控制线的形状,可以实现变形向叶片几何模型的传递.进一步,重新生成气动网格,可以得到结构变形后叶片的气动网格模型.      

近净成形叶片重构曲面刀具轨迹自适应规划

近净成形叶片作为一种高效低成本的新型工艺方法,越来越广泛地被应用在航空发动机叶片毛坯制造上。航空发动机近净成形叶片其叶型复杂且属于薄壁类零件,无法保证所有区域一次成形且满足设计精度要求,需要对进/排气边区域进行自适应加工。自适应加工中进/排气边曲面通常为重构曲面,因为测量数据、缘头形状约束、毛坯变形等因素影响,重构曲面会出现曲率变化大、边界不齐等问题。针对上述问题,本文通过分析刀心轨迹与加工曲面几何关系,以光顺偏置曲面为基础,建立光顺刀心轨迹规划线规划算法,实现了重构曲面光顺刀心轨迹的高效自动化生成。在某型精锻叶片上进行了数控加工试验,试验结果显示进/排气边曲面轮廓公差控制在（–0.02～+0.039） mm范围内,满足图纸设计公差（–0.03～+0.05） mm的要求,证明了所提算法的有效性和实用性。     

航空复杂产品的 CATIA 结构稳健建模方法研究

针对现有建模方法无法有效对航空产品 CATIA 模型进行快速修改与重用的问题,提出了以曲面分割为建模策略的结构稳健性建模方法。该方法通过对父子关系关联传播路径进行分析,找出影响 CATIA 特征模型结果稳健性的因素,即几何元素方向、几何拓扑元素、建模策略。通过研究特征构建时,输人元素的性质和基于此性质的操作方法,实现结构稳健性建模,即通过对外部输人和建模过程中的关键几何元素进行方向控制、创建显式参考代替几何拓扑元素、禁止使用复杂草图、采用基于曲面分割的设计特征模块化建模策略等方式,实现特征模型的快速修改与重用。工程实例证明了所提方法的实用性和可靠性。     

机翼结构有限元快速建模技术研究

为提高飞机机翼结构初步设计阶段有限元建模的质量和效率,提出了机翼结构有限元参数化建模方法。采用模板技术将机翼结构几何建模过程中的方法、规则和专家经验等知识进行封装,在CATIA建模平台上通过Visual Basic开发了知识驱动的机翼结构几何参数化建模系统。研究了CAD与CAE系统之间的数据传递手段,读取上游模型信息,完成了几何模型的重构。基于PATRAN二次开发语言PCL进行了有限元网格自动剖分,快速生成了有限元模型,并实现了CAD模型向CAE模型转换的无缝集成。     

复杂薄壁构件自适应加工工艺几何模型重构

随着制造理念和制造水平的不断提高,大量复合制造工艺背景下的近净成形叶片被应用到现役或在研的航空发动机中。该类叶片是典型的复杂薄壁结构零件,无精确定位基准,且成形一致性差。采用传统叶身定位,加工后的前/后缘、榫齿形状和位置精度均难以保证,从而导致产品一致性差,易超差与合格率低。针对以上问题,提出一种面向自适应加工的复杂薄壁结构零件工艺几何模型重构方法。首先,建立复杂曲面的采样点分布模型,快速获取叶片精确成型区域的位置和形状;其次,提出基于特征曲线相似变形的模型重构算法,精确重构前/后缘非精确成型区域的工艺几何模型;最后,通过精锻叶片自适应加工试验进行验证。试验结果表明：该方法可有效满足以精锻叶片为代表的复杂薄壁构件自适应加工要求。     

复杂曲面零件散乱点云特征点提取

复杂曲面零件的几何特征提取对加工质量的检测及逆向重构具有重要意义。提出了一种复杂曲面零件散乱点云特征点提取方法。首先,提出了基于高斯权重的邻域主成分分析的方法,通过估计每一点邻域的局部变化程度对点云模型进行初始标记;然后,采用基于标记的自动识别法实现特征点的提取;最后,通过特征点聚类的方式去除了特征点集中的异常点,完善了提取的点云特征。该方法直接操作于散乱点云,无需任何的拓扑连接信息。试验结果表明:该方法简单、有效,不需要过多地人为调节参数,特征点提取完整。     

飞机外形和结构件反求建模技术研究

 探讨了基于特征的飞机外形和结构件反求建模策略,并给出曲面特征和实体特征的定义,该方法支持具有完整特征表达的模型快速重建。提出了大规模散乱数据k近邻的空间球搜索算法,其逐步增大搜索范围的策略可有效提高搜索效率。研究了结构件与外形相关曲面特征的重建方法,当贴合面较窄、外形线接近于直线时,采用直纹面逼近,否则由蒙皮曲面等距间接求取。研究了基于工程约束的曲面形状修改算法,以B样条曲面需满足的点、线、面几何约束为目标约束,通过最小化形状修改前后差曲面的弯曲能得到精确满足目标约束的光滑曲面,推导了曲面弯曲能和曲线约束的表达式。最后,以飞机翼肋模型反求为例验证了所提方法的可行性。     

航天器在轨故障特征数据生成方法

针对故障特征数据模拟生成算法与航天器的原理、模型关联度高,航天器状态描述模型不成熟、难以应用于工程实践的现状,根据反映航天器在轨故障的遥测数据表现形式和变化时间长短,将航天器故障进行分类。从遥测数据变化的角度,针对每类故障遥测数据的变化特点,研究了符合每类故障数据变化规律的故障特征数据生成算法及基于WEB服务的故障特征数据生成原型系统实现方式。生成的故障特征数据在故障检测、诊断与预警等方面得到成功应用,使航天器对象、状态演化规则和测控信息产生等故障输入数据更接近真实的动态特征。     

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。     

一种基于STL文件的LBM前处理高效算法

LBM是一种计算流体数值方法,计算过程中需要确定流场格点属于流体点还是固体点,通过前处理获得格点类型信息.其中一种方法是通过STL文件格式描述的物体模型判断格点在物体内外信息来确定格点类型,从而实现STL几何信息到LBM计算模型信息的重构.为了能够快速重构计算模型,本文提出了一种快速生成计算模型算法.该算法根据面三角形...     

空间曲面的非结构网格生成

介绍一种空间曲面的 Delaunay三角形网格生成技术。采用参数表示法将空间曲面变换为平面参数域,引入相关的度量矩阵后将平面参数域进行三角剖分,最后得到空间曲面的三角剖分。空间曲面的边界点作为已知点被给定,内点采用一类自动生成的方法计算,例如按边插点法,Voronoi边插点法等。该方法可以很好地控制曲面网格的质量,使用方便,可以直接用于物理问题数值模拟中的曲面网格生成,也可以用于三维非结构网格生成中提供边界面三角剖分。文中给出的算例说明了本方法的应用情况。     

面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法

为了提高航天器回转曲面加筋型连接结构的集中力扩散效率,需要开展回转曲面加筋集中力扩散结构设计。传统放射肋设计方法普遍依赖设计经验、难以满足集中力高效扩散需求。因此,提出一种面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法。第1步,建立了一种基于各向异性过滤技术的集中力扩散拓扑优化方法,保证拓扑优化结果满足回转曲面加筋制造工艺要求;第2步,提出了一种基于网格变形技术的拓扑优化结果智能重构方法,可高效准确地对回转曲面加筋拓扑优化结果进行模型自动重构。基于所提出方法,以卫星平台对接环这种典型的回转曲面加筋壳为对象开展算例研究,并将优化结果与传统放射肋设计结果进行对比。结果表明,所提出的优化方法可得到加筋构型清晰、满足回转曲面加筋制造工艺要求的优化结果,且具有集中力扩散效率高、网格质量依赖性低、拓扑特征重构高效等优点。     

航天器无控再入解体非规则碎片散布范围分析研究

针对服役期满大型航天器在无控情况下再入大气层解体过程及再入点难以提前预测,再入解体后生成的碎片可能造成地面伤害等问题,采用基于空间方位角的碎片有限分组策略与飞行姿态角随机统计模拟技术,提出非规则碎片几何分类与质量分布模型及地面散布范围可计算建模方法,结合气动特性当地化快速算法和三自由度弹道方程,建立了空气动力融合弹(轨)道高精度数值积分碎片运动散布范围统计计算方法,初步实现了对航天器无控再入解体碎片的全程跟踪模拟。结果表明:解体点弹道倾角对碎片散布范围影响很大,散布区域整体呈细长条状,纵向达数千公里,横向仅为百余公里,质量越大的碎片航程越远。     

基于关联设计的压缩弹簧动画制作

用常规方法很难实现弹簧等非刚性零件变形的动画制作。介绍了两端并紧磨平弹簧的造型方法,用扫描曲面的边线为扫描路径建立弹簧模型,该弹簧的高度取决于作为生成曲面路径草图中直线的长度。利用草图的关联设计来改变决定弹簧高度的直线的长度,实现了弹簧的动画制作。用这种方法完成了弹簧封闭型凸轮机构中动画制作。     

国家数值风洞工程结构网格变形程序SGDP V1.0开发与应用

对结构网格变形程序SGDP V1.0的理论方法、组成架构、主要功能、运行流程、运行性能、变形算例和工程应用进行了简要的介绍。SGDP V1.0是国家数值风洞NNW项目共性基础库网格变形模块下实现的第1款模块化程序,在吸收前期研究代码的基础上,通过代码重构、接口规范、功能扩展等技术实现开发。目前,SGDP V1.0程序依托RBF-TFI方法实现结构网格变形,采用模块化的代码结构和扁平化的参数设计,可以实现4种不同类型运动下的变形网格生成。SGDP V1.0程序每百万节点网格的读取时间约为0.01s、写出时间约为0.008s、网格更新时间约为0.1s,可在数秒内实现千万量级网格的变形更新,具有非常高的运行效率。网格变形算例和工程应用结果表明,SGDP V1.0程序能够处理复杂拓扑网格的变形问题,且有很好的网格质量维持能力,从而能够获得更加精确的数值模拟数据。     

基于单视图的非合作航天器三维体素重构算法CSCD

空间对抗态势下,针对非合作航天器的快速高精度智能感知、意图识别与威胁评估等在轨相对导航任务,均依赖精准的目标三维模型先验信息。但星载传感器感知视场有限,传统基于多帧图像的模型重构算法存在流程复杂、实时性差及恢复精度低等问题。为此,提出了一种基于单视图的航天器三维体素重构算法,能够基于单帧图像高效地恢复目标的空间三维信息。首先,针对空间航天器视觉感知任务研究中普遍存在的数据饥饿问题,通过整理航天器三维模型,利用图像渲染技术构建了小规模本地数据集,包括航天器三维模型、对应体素和多视角采样图像三部分。接着,设计了基于单视图的三维重建模型,使用单帧非合作航天器图像作为输入,通过2D-3D混合卷积完成“编码-解码-调优”三个子模块计算,实现对目标三维体素结构的恢复。最后,在本地数据集上进行网络模型的训练和评估,验证了当前模型能够实时精确重建目标航天器三维体素模型,并在现有数据上取得了0.895的MIoU值;同时,网络对不同航天器的重建效果体现了模型具有强大的泛化能力。