实现交互式三维参数化造型的研究

参数化设计方法是当今计算机辅助设计领域的一个热点课题,交互式三维参数化造型可以在原有模型的基础上,快速而方便地生成新的设计方案,大大提高了设计效率。本文所讨论的是通过引入特征的约束关系,利用现有的实体几何造型系统来实现交互式的三维参数化造型的方法。     

基于二维参数化特征的CAD／CAM集成

结合长春五五研究所ＦＭＳ实际情况，本文提出了在二维参数化绘图系统平台上建立特征库，产生能支持ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ集成的三维产品模型。在此模型的基础上，通过ＳＴＥＰ格式文件交换，产生参数化特征文件，供ＣＡＰＰ共享，并自动生成工艺卡及ＮＣ码，从而实现ＣＡＤ／ＣＡＭ集成。     

基于特征的锻件分类及特征有限元法

综合分析锻件后引入特征技术并归纳锻件的形状及变形特点 ,提出了锻件特征概念并给出锻件形状特征的一般定义和构成 ;采用面向对象技术表示特征 ,提出了锻件特征类的概念模式和具体的参数化数据模型 ;针对有限元分析中复杂多变的约束条件和载荷状况两个关键性因素的表达 ,提出特征类的关联思想。在基于特征的锻件分类基础上 ,把锻件变形归纳为“挤”或“压”两种特征元 ,提出了采用基于特征的有限元法 ,并综合自适应FEM、并行FEM、智能型FEM共同求解大型复杂锻件的变形模拟问题。     

基于AMDB的机场空侧三维场景建模技术研究

针对机场空侧真实感三维场景建模的需求,提出一种采用机场地图数据库,在OpenFlight API支持下参数化生成机场空侧三维场景模型的方法。首先分析了AMDB数据库架构和数据构造;其次依据AIXM5数据交换标准,设计了针对机场空侧三维场景模型几何数据整合接口;然后提出了机场空侧三维场景模型的特征分类模型,并根据不同的分类设计基于OpenFlight API的场景树生成方法;最后通过实例构建了三维场景模型。该技术能够实现不同时候、天气情况下机场空侧三维场景的快速构建。     

基于特征的参数化设计方法

从集成角度,分析了特征定义及信息构成,并采用层次结构表达特征信息。在此基础上提出特征最小构成单元特征面,通过附着面特征之间发生联系。在参数化造型时,以尺寸驱动方式修改特征形状与定位,提出用局部坐标架网表示特征之间位置依赖关系,最后,提出运用面向对象方法组织特征信息。     

基于非合作低轨卫星的测向交叉定位技术

根据非合作低轨卫星的特点，可以被动测量多颗卫星信号的来向，通过测向交叉的方式进行定位。但是通过星历解算出的卫星位置位于地心地固坐标系，用户测量的方位角和俯仰角基于站心坐标系。针对非合作低轨卫星测向交叉定位时目标用户角度信息与卫星位置基于不同坐标系的问题，提出了一种迭代最小二乘定位算法，通过迭代的方式不断收敛定位结果，能够在目标用户角度信息与卫星位置基于不同坐标系的情况下，解决非合作低轨卫星的测向交叉定位问题。仿真结果表明，基于迭代最小二乘定位算法能够实现非合作低轨卫星仅利用角度定位，并分析了测角精度、卫星轨道高度、参与定位卫星数与定位误差之间的关系。针对迭代的计算方法，分析了迭代过程中不同收敛条件下迭代次数与定位误差之间的关系。在保证定位精度的情况下，将迭代收敛范围设置为8~30 km，可以降低2~3次迭代次数。     

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

 基于三维正交机织复合材料,提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵,利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素,说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性,分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率,结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高,而计算量比一般有限元方法大幅度降低。     

复杂构件MDO六面体网格重构方法

从参数化模型和模型拓扑特征出发,提出了一套六面体网格重构的有限元模型建模方法.同时,使用随动点来约束网格的拓扑边界,保证网格的正交性,确保了网格重构后的网格质量;结合现有的商用软件ICEM的网格生成算法,开发了基于特征的参数化有限元(FE)建模程序.最终,针对航空发动机低压涡轮带冠叶片的叶冠参数进行的多学科优化 (MDO),实例验证了网格重构方法的有效性和可行性.      

基于坐标系转换的CATIA自动装配方法

简述了CATIA装配中零件位置的坐标系表达以及坐标系转换的计算方法。描述了通过零件模板标识零件装配特征的方法。提出了一种基于坐标系转换的CATIA自动装配方法:将零件的装配特征用坐标系表示,利用零件装配特征坐标系之间的转换关系,计算零件从原始位置移动到装配位置的转换矩阵;通过将零件的原始位置坐标系与转换矩阵相乘,得到零件的装配位置坐标系,从而实现零件的自动装配。该方法可以提高CATIA装配设计效率。     

基于网格参数化变形的单级涡轮多学科可靠性设计优化

基于自由变形技术发展了一种可以协调实现流场、结构分析网格参数化变形的方法,并实现单级涡轮的多学科可靠性设计优化。针对流场分析网格展向积叠的特征,将三维网格变形转化为不同叶高二维截面的网格变形;根据二维流场分析网格的拓扑结构,设计二维控制面,基于叶型设计参数建立叶型控制点、其他控制点伴随叶型控制点移动,实现了网格的参数化变形,避免了网格畸变、提高了网格变形的质量;不同叶高的二维控制面组成控制体,实现三维流场分析网格的参数化变形。采用相同的控制体进行结构分析网格的变形,实现了耦合界面网格协调变形。基于Kriging代理模型进行单级涡轮的多学科可靠性优化,在满足可靠性约束的情况下效率提高4.97%、寿命提高40.86%,证明了方法的有效性。      

一种基于轨道根数约束的最优制导方法

针对航天器空间变轨的制导问题,研究了一种基于轨道根数约束的最优制导方法。在地心惯性坐标系下直接建立航天器的最优控制模型,给出了位置速度表达式和协态变量初值之间的关系;进一步,在不约束真近点角的前提下,推导了5个轨道根数的约束方程,并通过对轨道根数和最优控制理论中协态方程的特性分析,获得了另外两个约束方程。协态变量初值可直接通过求解7个完整约束方程组获得,进而得到最优推力方向。仿真验证了所提制导方法的有效性。     

运用混合遗传算法的多机编队重构优化方法

多机编队重构优化除了要考虑终端状态约束、控制作用能量约束之外,还必须考虑安全防撞距离与通信保障距离的约束。在满足这些约束的前提下,提出了一种新的结合控制作用参数化与时间离散化(CPTD)方法和遗传算法(GA)的混合算法,将编队重构最优时间控制问题进行控制作用参数化和时间离散化处理,转化为带自由终端状态约束的离散型优化问题,并通过对传统遗传操作算子的改进,采用改进的遗传算法进行寻优,得到最优解。算例结果表明了该混合算法的有效性,其适用于编队重构最优时间控制问题。     

An optimal method of posture adjustment in aircraft fuselage joining assembly with engineering constraints

Posture of an aircraft fuselage can be evaluated based on the coordinate values of measure points fixed on the aircraft fuselage in aircraft final assembly. Posture adjustment is carried out by rotation and translation of the aircraft fuselage to make sure that the actual coordinate values of the measure points are coincided with the theoretical ones read from the computer aided design(CAD) model. The point registration method of posture adjustment without considering engineering constraints may cause out-of-tolerance for some engineering constraints. Hence, engineering constraints such as plane symmetry of two points, as well as coplanar and collinear of the multipoint should be considered in the new optimal method of posture adjustment in aircraft fuselage joining assembly. Based on the point registration model, a multi-objective optimization model of posture adjustment considering engineering constraints including collinear, coplanar, and symmetry constraints is established and represented by a uniform vector function. The weights of constraint conditions can be set freely in the optimization model to reflect the importance of the corresponding constraints in aircraft fuselage joining assembly. The rotation and translation parameters of posture adjustment are obtained by the proposed multi-objective optimization algorithm based on the Gauss-Newton method. Results of an example of aircraft fuselage joining assembly show that constraint errors of posture adjustment obtained by the multi-objective optimization model are not out of tolerance for design constraint errors and satisfy the requirement of aircraft fuselage joining assembly.     

飞机谱载荷下裂纹扩展的三维约束效应

研究裂纹端部三维应力约束、塑性约束和位移约束等对谱载疲劳裂纹扩展的影响。用适于三维应力状态的修正条带屈服模型 ( Modified Strip Yield Model)计算与裂纹扩展有关的三维约束因子。利用所得约束因子的理论解改进 NASA多年来发展的 FASTRAN-II寿命预测软件 ,使其避免了依赖经验确定的约束因子进行寿命预测的局限 ,仅利用一组常幅疲劳裂纹扩展数据和材料的常规机械性能便可预测飞机谱载下的裂纹扩展寿命。对多种谱型、应力水平、过载比和材料的组合情况进行了分析 ,预测寿命与试验结果吻合很好 ,证明本文方法和改进软件可以用于实际结构的寿命预测。     

Hypersonic reentry trajectory planning by using hybrid fractional-order particle swarm optimization and gravitational search algorithm

This paper proposes a novel hybrid algorithm called Fractional-order Particle Swarm optimization Gravitational Search Algorithm (FPSOGSA) and applies it to the trajectory planning of the hypersonic lifting reentry flight vehicles. The proposed method is used to calculate the control profiles to achieve the two objectives, namely a smoother trajectory and enforcement of the path constraints with terminal accuracy. The smoothness of the trajectory is achieved by scheduling the bank angle with the aid of a modified scheme known as a Quasi-Equilibrium Glide (QEG) scheme. The aerodynamic load factor and the dynamic pressure path constraints are enforced by further planning of the bank angle with the help of a constraint enforcement scheme. The maximum heating rate path constraint is enforced through the angle of attack parameterization. The Common Aero Vehicle (CAV) flight vehicle is used for the simulation purpose to test and compare the proposed method with that of the standard Particle Swarm Optimization (PSO) method and the standard Gravitational Search Algorithm (GSA). The simulation results confirm the efficiency of the proposed FPSOGSA method over the standard PSO and the GSA methods by showing its better convergence and computation efficiency.     

考虑进气约束的高超声速飞行器预定性能控制

针对高超声速飞行器跟踪误差瞬态性能约束与发动机进气条件约束问题,提出约束预定性能控制方案。首先,设计新型设定时间性能函数用于限定跟踪误差的瞬态与稳态性能。相比传统方法,新型方案可保证性能函数在设定时刻精确收敛至稳态值,同时可灵活调整函数初始收敛速率,避免控制饱和。其次,将速度与高度受约束跟踪误差进行无约束转换,通过控制转化误差有界满足原始跟踪误差的预定性能约束。在高度子系统中,通过结合预定性能控制限定攻角变化范围,能够满足发动机进气需求。最后,以考虑参数摄动的吸气式高超声速飞行器为对象执行对比仿真,结果表明所提方法能够有效满足跟踪误差的性能约束与发动机进气约束。     

基于伴随算子的气动布局优化技术及其在大飞机机翼减阻中的应用

为了提高大型飞机机翼的气动性能,发展了基于Bezier-Bernstein曲线的机翼气动布局参数化技术和网格变形技术,以及基于Navier-Stokes方程的流场解算器、伴随算子解算器和二次规划寻优算法,形成了气动布局优化软件.通过改变约束条件、设计参数范围和初始点,对机翼进行了一系列的极多参数和多约束的气动布局精细优化设计,得到了良好的优化结果,优化结果表明该优化方法是高效和可靠的.      

面向三维激波问题的装配方法

给出了一种基于非结构动网格技术的三维激波装配方法。在该方法中,三维激波面由被标记为激波属性的网格点连接构成,标记为激波属性的网格点称为激波点。激波点具有两组参数分别代表激波的上下游,利用激波点上下游参数求解R-H关系式获得激波点运动速度。非结构动网格技术的使用允许激波大幅度运动,降低了对初始激波位置的要求。通过引入网格属性定义避免了对计算网格进行分区,增加了装配激波的灵活性。通过球柱体绕流问题验证了该三维装配方法的合理性,针对三维激波装配中比较困难的交点装配问题,通过对三维激波反射以及三维激波相交等算例进行研究找到了可用的三维激波交点运动速度的确定方法,保证了激波运动过程中交点运动与流场求解之间的相容性,获得了相应的装配结果。     

非线性主轴降维映射法在固体火箭发动机设计优化中的应用

为在二维或三维空间中表达固体火箭发动机高维设计空间,引入非线性主轴降维映射法对多维非线性设计优化问题进行降维处理。以某大型固体火箭发动机设计问题为例,将10变量4有效约束优化问题降维映射到二维空间进行研究,拟合的非线性主轴降维映射模型中,目标函数和约束函数的相对误差控制在1.5%以内。研究表明,非线性主轴降维映射法具有发现多变量非线性优化数学模型本征特性的特点,能对设计变量重要性排序;通过降维展示设计空间全景,为优化算法和优化初始点优选提供了直观、有力的工具;优化轨迹实时展示为优化算法性质研究及算法切换提供了依据;根据优化轨迹从优化结果在降维空间中的位置能够判断优化结果是否具有全局最优解特性。     

CFD在概念-初步设计阶段三维气动外形优化中的应用

在飞行器概念-初步设计阶段,建立基于CFD的气动优化链对于提高优化计算的效率具有较好的工程应用价值。使用德国宇航院开发的CPACS数据格式给出飞行器平面形状,结合NURBS翼型参数化方法对飞行器几何外形进行参数化;自动生成计算网格并求解Euler方程数值模拟流场以评估参数化气动外形的气动特性,进而构建响应面模型;使用SQP梯度算法搜索响应面模型以获取满足约束的最优解。以Onera M6机翼为例,对该优化链进行验证。结果表明:在满足约束的条件下,基于CFD的气动优化链能够成功地进行气动外形优化。