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。     

基于点阵和 TPMS 结构的电子器件散热器性能数值模拟研究

随着电子器件集成度显著提高,散热问题愈加突出,为保证电子器件正常工作,对散热器的性能要求愈发严苛,目前强制风冷是最普遍的散热方式,针对传统风冷散热器的翅片结构具有换热面积小、对流换热系数低等缺陷,提出 SC-BCC 点阵和三周期极小曲面(TPMS,W型)2种翅片结构风冷散热器,并对其传热性能开展了数值模拟研究。采用体积平均尺度(REV)数值仿真模型,对大尺寸风冷散热器进行传热性能研究具有较高可靠性,可大幅节省计算资源与成本。数值计算结果显示:在相同孔隙率和人口速度条件下,SC-BCC结构的乐降比 TPMS 结构高27.2%,热流量比TPMS 结构高6.7%。该结果表明在对传热性能需求较高而可接受压降范围较大的情况下可选择点阵结构,相反可选择 TPMS 结构。     

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论,以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法,称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法,基于基面的沿主方向的参数坐标,然后沿基面的法方向进行空间延拓,以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论,可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率,因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开,所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系,而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面,经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系,从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用,本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式,曲面上流体边界层方程的分量方程,曲面介质相关守恒律方程等。     

基于变尺度混沌算法的曲面品质优化

曲面品质优化是曲面重构中的常见问题，在航空航天和汽车等高端产品设计中，如果要求重构的曲面间具有高阶连续性，往往需要进行大量的优化工作。为了便捷地得到光滑的高品质曲面，提出一种基于变尺度混沌算法的曲面品质优化方法。引入可调参数，在与邻接面NURBS曲面片一阶连续条件下，可以灵活调整多个参数值对目标面进行变形操作；建立变尺度混沌优化的数学模型，计算出可调参数组的最优解，得到相对原曲面变形量最小的高品质曲面。通过案例分析验证了所提方法的鲁棒性和实用性。对优化后的曲面进行光影分析，结果表明：所提方法可以在保证曲面品质的同时，提高曲面重构的效率。     

基于响应曲面法的成型CBN砂轮高频感应钎焊温度均匀性研究

成型砂轮在高频感应钎焊过程中存在温度分布不均匀导致钎焊质量无法满足使用要求，这是长期困扰超硬磨料砂轮高频感应钎焊技术的难题。针对该问题，提出温度均匀性的表征方法，以温度均匀度和平均温度为响应值，基于有限元仿真数据获得了响应曲面法模型。基于该模型，采用方差分析成型砂轮感应钎焊温度均匀性的影响因素显著程度由大到小依次为加热间隙、感应电流、导磁体长度。以平均温度值和温度均匀度为优化目标，基于响应曲面法优化线圈结构和工艺参数，开展了感应加热试验，证明响应曲面法模型优化结果的误差在6.94%以内。高频感应钎焊的成型立方氮化硼（cubic boron nitride，CBN）砂轮宏观形貌显示，钎料在成型面各处铺展的一致性好，表明钎焊过程中在成型面的温度分布具有较好的均匀性。     

叶片边缘破损曲面再生修复技术研究

发动机叶片长期在高温、高压和高速下工作，工作过程中有异物进入，不可避免地会发生损坏。对于弯扭叶片边缘破损曲面的修复，本文采用基于邻近破损域未破损区域的完整叶片截面线与破损域叶片截面线的完好部分配准，获得边缘破损处的叶片截面线点云特征，实现破损曲面再生重构。同时，采用迭代最近点（（Iterative closest point,ICP））配准算法，克服了搜索最近点集耗时较长的缺点。本文提出的基于建立辅助圆邻域的最近点集对搜索方法，大大降低了配准时间成本。最后对破损域再生曲面进行了光顺性分析，验证本文所提出的边缘破损曲面再生修复方法的可行性。     

基于Gyroid结构空气加热管道设计技术

在高空飞行时，飞机处于较为极端的环境下，舱内工作人员的生活环境需要保障，采用空气加热设备对机组人员的生活环境进行调控是十分必要的。传统空气加热设备体积往往较大，且其加热的空气存在局部过热的情况。因此，本文提出了一种基于极小曲面结构的空气加热管路，通过3D打印技术制造加热模块，并将热源安置在其内部，减少了整体占地空间，同时增强了空气加热效果。该空气加热管道以出口空气的温度均匀性作为设计目标，并以结构的压降需求及外壁面最高温度作为约束条件，采用计算流体力学（CFD）仿真工具（Fluent）进行设计仿真，进而构建出结构各参数与设计目标的响应函数，并通过数学分析软件求得结构的最优解。最后，将其与传统加热设备结构进行仿真对比，发现新式极小曲面空气加热管可在保证压降的条件下实现整体结构热点温度的降低，且能均匀加热流经的空气。通过仿真数据，其出口处空气的温差保持在了3.3℃以下，相较于传统加热管道出口最大温差减少了94.9%，极大地提高了出口空气的温度均匀性。     

基于PINN的复合材料自动铺放轨迹整体规划

自动纤维铺放能有效地提高复材构件的制造效率和质量。为满足复材构件的力学性能要求及铺放质量要求，在给定曲面目标域内生成铺放轨迹时需要同时考虑转弯半径、纤维角偏差以及轨迹间距等工艺指标。现有铺放轨迹规划方法大多在对基准轨迹进行优化后，通过路径密化生成铺放轨迹。这仅能保证所生成的轨迹满足单一要求，难以整体满足多个优化目标。为实现多优化目标下的复合材料自动铺放轨迹整体规划，本文将轨迹规划问题转换成为目标域内的泛函优化问题，利用内嵌物理知识神经网络（Physics-informed neural network,PINN）实现目标函数的求解，并提取目标函数的等值线作为轨迹规划的结果。相较于现有策略，本文提出的方法能整体兼顾轨迹的方向性、可铺性以及间隙质量，为实现先进复合材料自动铺放轨迹整体规划提供新思路。