專利名稱：一種三維整體壁板展開建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種三維整體壁板展開建模方法。
背景技術(shù)：
整體壁板是一種由整塊板坯經(jīng)機(jī)械加工制成的整體結(jié)構(gòu)承力件，其各結(jié)構(gòu)要素(如長桁、蒙皮加強(qiáng)墊板等)均是通過對板坯進(jìn)行機(jī)械加 工獲得的，而非由不同結(jié)構(gòu)要素通過連接工藝得來，由此使機(jī)翼整體壁板具有結(jié)構(gòu)效率高、氣動外形光滑、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短、制造工時(shí)少等特點(diǎn)。自20世紀(jì)60年代以來，世界各國的大、中型飛機(jī)都廣泛采用整體壁板作為主要承力構(gòu)件。為降低成本，在工業(yè)生產(chǎn)中整體壁板一般采用對平面壁板進(jìn)行塑性成形的工藝方法制造，這其中的一個(gè)關(guān)鍵問題是確定與所需的具有空間形狀的整體壁板對應(yīng)的平面整體壁板即平面板坯的形狀和尺寸。在采用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的條件下，就是要根據(jù)設(shè)計(jì)者給出的具有空間形狀的三維整體壁板幾何模型，確定其對應(yīng)的平面板坯的幾何模型，即對具有空間曲面形狀的三維整體壁板幾何模型進(jìn)行展開計(jì)算和建模。由于整體壁板是整體結(jié)構(gòu)，如果成形后壁板尺寸有偏差而需對其邊緣進(jìn)行修正，則容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)錯(cuò)位或?qū)Y(jié)構(gòu)造成損傷，因此確定精確的平面板坯對于保障整體壁板成形制造的質(zhì)量和效率具有重要意義。隨著現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼氣動外形的發(fā)展，機(jī)翼外形曲面越來越復(fù)雜，出現(xiàn)了帶彎折的局部馬鞍形外形曲面、復(fù)雜連續(xù)變曲率雙曲形曲面，并且飛機(jī)機(jī)翼整體壁板上的結(jié)構(gòu)特征也越來越復(fù)雜，這使得在飛機(jī)制造領(lǐng)域整體壁板板坯的展開計(jì)算和建模也越來越困難。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種三維整體壁板展開建模方法，能夠?qū)⒕哂锌臻g曲面形狀的三維整體壁板展開為平面整體壁板。技術(shù)方案本發(fā)明的過程分為以下6個(gè)步驟三維整體壁板幾何模型分解、特征線和特征點(diǎn)提取、特征線和特征點(diǎn)向整體壁板外形曲面上投影、三維整體壁板外形曲面展開、投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)在板坯平面上的位置計(jì)算、平面板坯幾何結(jié)構(gòu)建模。本發(fā)明的技術(shù)方案為所述一種三維整體壁板展開建模方法其特征在于包括以下步驟步驟I :將三維整體壁板幾何模型分解為若干個(gè)可分離幾何體所述可分離幾何體為相對于壁板基準(zhǔn)面具有單一厚度或厚度呈線性變化的幾何結(jié)構(gòu)，所述壁板基準(zhǔn)面為三維整體壁板的功能外形面；步驟2 :確定單個(gè)可分離幾何體的特征線和特征點(diǎn)取可分離幾何體之間的對接面、可分離幾何體上無鄰接可分離幾何體并且不在功能外形面上的面為界面，則界面的邊緣線為特征線，邊緣線的交點(diǎn)為特征點(diǎn)；
步驟3 :將特征線和特征點(diǎn)按照壁板基準(zhǔn)面的法線方向投影到壁板基準(zhǔn)面上，在壁板基準(zhǔn)面上得到各個(gè)可分離幾何體的投影特征線和投影特征點(diǎn)；步驟4 :將壁板基準(zhǔn)面上的投影特征線離散為投影特征線點(diǎn)列，同一投影特征線點(diǎn)列上相鄰兩點(diǎn)沿投影特征線的長度不超過該投影特征線長度的10% ；步驟5 :將壁板基準(zhǔn)面離散為有限元三角形單元網(wǎng)格，單元邊長不超過壁板基準(zhǔn)面最小曲率半徑的10%，得到壁板基準(zhǔn)面的空間曲面網(wǎng)格；采用曲面展開方法將壁板基準(zhǔn)面的空間曲面網(wǎng)格展開，得到壁板板 坯的平面輪廓曲面網(wǎng)格；步驟6 :采用面積坐標(biāo)法計(jì)算投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)在壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的坐標(biāo)p(xp, yp, zp)點(diǎn)為空間曲面網(wǎng)格中投影特征線點(diǎn)列以及特征點(diǎn)的任意一點(diǎn)，P1U , Yi, Z1), p2(x2, y2, z2), p3(x3, y3, z3)為P點(diǎn)所在三角形單元三個(gè)頂點(diǎn)，P點(diǎn)的面積坐標(biāo)為(ξ !，ξ 2，ξ 3)，其中 ξι = Si/S，ξ 2 = S2/S, ξ 3 = S3/S, S1 為 APP2P3 的面積，S2 為 APP1P3的面積，S3為APP1P2的面積，S為AP1P2P3的面積；P ; (x ; ,y ;)點(diǎn)為P點(diǎn)在壁板板坯的平面輪廓曲面網(wǎng)格中的對應(yīng)點(diǎn)，P ^ i(x ; , y ; ι),P ; 2(χ ; 2，ι丨2).P ; 3(χ ; s. y ; 3)為Pi，p2，P3點(diǎn)在壁板板還的平面輪廓曲面網(wǎng)格中的對應(yīng)點(diǎn)，則P ;點(diǎn)坐標(biāo)為Χ ; = S1X ； !+S2X ; 2+S3x ; 3 y ； = S1Y ； !+S2Y ;2~*~S3y 3;步驟7 :按照與步驟3中對應(yīng)特征線或特征點(diǎn)投影過程相反的投影方向及相同的投影距離，將壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)投射到平面板坯空間中，得到平面板坯空間中的特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)；按照步驟4中的離散關(guān)系將平面板坯空間中的特征線點(diǎn)列連接，得到平面板坯空間中的特征線；按照步驟2中對應(yīng)特征線、特征點(diǎn)和界面的關(guān)系構(gòu)建平面板坯空間中的界面，按照步驟2中界面與對應(yīng)可分離幾何體之間的關(guān)系確定并構(gòu)建平面板坯空間中的可分離幾何體；按照步驟I中各個(gè)可分離幾何體之間的對應(yīng)關(guān)系，將平面板坯空間中的各可分離幾何體組合，得到壁板平面板坯幾何模型。所述一種三維整體壁板展開建模方法其特征在于曲面展開方法為基于單元變形能的復(fù)雜曲面優(yōu)化展開算法。有益效果為解決航空航天等領(lǐng)域中具有復(fù)雜外形曲面的整體壁板件的展開建模問題，本發(fā)明將整體壁板幾何模型按厚度分布的特點(diǎn)分解為多個(gè)可分離幾何體，將可分離幾何體在整體壁板外形曲面上的位置用從可分離幾何體上提取的特征點(diǎn)、特征線在整體壁板外形曲面上的投影來確定。采用有限元網(wǎng)格離散曲面并采用曲面展開算法(比如基于單元變形能的復(fù)雜曲面優(yōu)化展開算法)展開整體壁板外形曲面的有限元網(wǎng)格，得到整體壁板平面板坯的輪廓形狀和尺寸。利用面積坐標(biāo)方法確定特征點(diǎn)、特征線點(diǎn)列在平面板坯上的位置。然后根據(jù)所得特征點(diǎn)、特征線點(diǎn)列，并采用相對投影方向不變、相對投影距離不變、相對位置關(guān)系不變的方法構(gòu)建壁板平面板坯幾何模型。本方法實(shí)現(xiàn)了整體壁板展開建模過程的流程化、精確化，適用于各種具有復(fù)雜外形曲面的整體壁板件的板坯展開與建模，可提高航空航天等領(lǐng)域整體壁板設(shè)計(jì)制造的效率和精度。


附圖I是某型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板零件附圖2是投影在機(jī)翼整體壁板外形曲面上的特征點(diǎn)和特征點(diǎn)列附圖3壁板外形曲面的空間曲面網(wǎng)格附圖4是機(jī)翼整體壁板平面板坯的輪廓線及特征點(diǎn)、特征點(diǎn)列附圖5是機(jī)翼整體壁板平面板坯幾何結(jié)構(gòu)特征的草圖附圖6是機(jī)翼整體壁板平面板坯幾何模型
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明·本實(shí)例為某型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板零件(圖I )，按照三維整體壁板展開建模方法步驟I :將三維整體壁板幾何模型分解為若干個(gè)可分離幾何體所述可分離幾何體為相對于壁板基準(zhǔn)面具有單一厚度或厚度呈線性變化的幾何結(jié)構(gòu)，所述壁板基準(zhǔn)面為三維整體壁板的功能外形面。本實(shí)施例中,三維整體壁板的功能外形面為其氣動外形表面,通過幾何結(jié)構(gòu)分解得到該零件的可分離幾何體有I個(gè)壁板基體、9個(gè)開口、23個(gè)筋條、12個(gè)增厚區(qū)和41個(gè)下陷。步驟2 :確定單個(gè)可分離幾何體的特征線和特征點(diǎn)取可分離幾何體之間的對接面、可分離幾何體上無鄰接可分離幾何體并且不在功能外形面上的面為界面，則界面的邊緣線為特征線，邊緣線的交點(diǎn)為特征點(diǎn)。特征線和特征點(diǎn)的作用是定位可分離幾何體在平面板還上的位置。步驟3 :將特征線和特征點(diǎn)按照壁板基準(zhǔn)面的法線方向投影到壁板基準(zhǔn)面上，在壁板基準(zhǔn)面上得到各個(gè)可分離幾何體的投影特征線和投影特征點(diǎn)；投影特征線和投影特征點(diǎn)即為特征線和特征點(diǎn)在壁板基準(zhǔn)面上的位置。步驟4 :將壁板基準(zhǔn)面上的投影特征線離散為投影特征線點(diǎn)列，同一投影特征線點(diǎn)列上相鄰兩點(diǎn)沿投影特征線的長度不超過該投影特征線長度的10%。這里利用投影特征線點(diǎn)列計(jì)算投影特征線在平面板坯上的位置。如圖2所示。步驟5 :利用商用有限元軟件的有限元網(wǎng)格劃分模塊(比如Ansys 12. IMeshGeneration)將壁板基準(zhǔn)面離散為有限元三角形單元網(wǎng)格，單元邊長不超過壁板基準(zhǔn)面最小曲率半徑的10%，得到壁板基準(zhǔn)面的空間曲面網(wǎng)格(圖3)。采用曲面展開方法將壁板基準(zhǔn)面的空間曲面網(wǎng)格展開，得到壁板板坯的平面輪廓曲面網(wǎng)格。本實(shí)施例中采用的曲面展開方法為基于單元變形能的復(fù)雜曲面優(yōu)化展開算法。(文獻(xiàn)為張賢杰，王俊彪，楊海成.基于單元變性能的復(fù)雜曲面優(yōu)化展開算法.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24 (2) =270^274)步驟6 :采用面積坐標(biāo)法計(jì)算投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)在壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的坐標(biāo)p(xp, yp, zp)點(diǎn)為空間曲面網(wǎng)格中投影特征線點(diǎn)列以及特征點(diǎn)的任意一點(diǎn)，P1U , Yi, Z1), p2(x2, y2, z2), p3(x3, y3, z3)為P點(diǎn)所在三角形單元三個(gè)頂點(diǎn)，P點(diǎn)的面積坐標(biāo)為(ξ !，ξ 2，ξ 3)，其中 ξι = Si/S，ξ 2 = S2/S, ξ 3 = S3/S, S1 為 APP2P3 的面積，S2 為 APP1P3的面積，S3為APP1P2的面積，S為AP1P2P3的面積；P ; (x( ; ,y ;)點(diǎn)為P點(diǎn)在壁板板坯的平面輪廓曲面網(wǎng)格中的對應(yīng)點(diǎn)，P ;ι(χ ; , y ; ι),P ; 2(χ ; 2. y ; 2).P ; 3(χ ; 3. y ; 3)為 Pi，p2，P3 點(diǎn)在壁板板還的平面輪廓曲面網(wǎng)格中的對應(yīng)點(diǎn)，則P '點(diǎn)坐標(biāo)為χ ' = S1X ; !+S2X ' 2+s3x ' 3 y ; = S1Y ;i+S2y 2+S3y 3°面積坐標(biāo)法得到的坐標(biāo)使任一投影特征線點(diǎn)和特征點(diǎn)在展開前后位于同一網(wǎng)格單元內(nèi)且相對于該單元在展開前后具有相同的面積坐標(biāo)。壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)如圖4所示。步驟7 :按照與步驟3中對應(yīng)特征線或特征點(diǎn)投影過程相反的投影方向及相同的投影距離，將壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)投射到平面板坯空間中，得到平面板坯空間中的特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)。按照步驟4中的離散關(guān)系(即各投影特征線點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系)將平面板坯空間中的特征線點(diǎn)列連接，得到平面板坯空間中的特征線。利用平面板坯的外形輪廓線、特征線和特征點(diǎn)，在CAD軟件(比如CATIAV5R18)中繪制壁板的平面板坯草圖，得到壁板平面板坯各可分離幾何體的草圖(圖5)。按照步驟2中對應(yīng)特征線、特征點(diǎn)和界面的鄰接關(guān)系構(gòu)建平面板坯空間中的界 面，按照步驟2中界面與對應(yīng)可分離幾何體之間的鄰接關(guān)系確定平面板坯空間中的可分離幾何體，并采用拉伸或用界面包絡(luò)等方法構(gòu)建各個(gè)可分離幾何體。按照步驟I中各個(gè)可分離幾何體之間的對應(yīng)鄰接關(guān)系，將平面板坯空間中的各可分離幾何體組合，得到壁板平面板坯幾何模型(圖6)。
權(quán)利要求
1.一種三維整體壁板展開建模方法其特征在于包括以下步驟 步驟I :將三維整體壁板幾何模型分解為若干個(gè)可分離幾何體所述可分離幾何體為相對于壁板基準(zhǔn)面具有単一厚度或厚度呈線性變化的幾何結(jié)構(gòu)，所述壁板基準(zhǔn)面為三維整體壁板的功能外形面； 步驟2 :確定單個(gè)可分離幾何體的特征線和特征點(diǎn)取可分離幾何體之間的對接面、可分離幾何體上無鄰接可分離幾何體并且不在功能外形面上的面為界面，則界面的邊緣線為特征線，邊緣線的交點(diǎn)為特征點(diǎn)； 步驟3 :將特征線和特征點(diǎn)按照壁板基準(zhǔn)面的法線方向投影到壁板基準(zhǔn)面上，在壁板基準(zhǔn)面上得到各個(gè)可分離幾何體的投影特征線和投影特征點(diǎn)； 步驟4 :將壁板基準(zhǔn)面上的投影特征線離散為投影特征線點(diǎn)列，同一投影特征線點(diǎn)列上相鄰兩點(diǎn)沿投影特征線的長度不超過該投影特征線長度的10% ； 步驟5 :將壁板基準(zhǔn)面離散為有限元三角形單元網(wǎng)格，単元邊長不超過壁板基準(zhǔn)面最小曲率半徑的10%，得到壁板基準(zhǔn)面的空間曲面網(wǎng)格；采用曲面展開方法將壁板基準(zhǔn)面的空間曲面網(wǎng)格展開，得到壁板板坯的平面輪廓曲面網(wǎng)格； 步驟6 :采用面積坐標(biāo)法計(jì)算投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)在壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的坐標(biāo) P(xp，yp，zp)點(diǎn)為空間曲面網(wǎng)格中投影特征線點(diǎn)列以及特征點(diǎn)的任意一點(diǎn)，Pl(Xl，Yi, Z1), P2 (X2, y2, Z2), P3 (x3, y3, Z3)為P點(diǎn)所在三角形單元三個(gè)頂點(diǎn)，P點(diǎn)的面積坐標(biāo)為(ξ !，ξ 2，ξ 3)，其中 ξι = Si/S，ξ 2 = S2/S, ξ 3 = S3/S, S1 為 APP2P3 的面積，S2 為 APP1P3的面積，S3為APP1P2的面積，S為AP1P2P3的面積； P ； (X ； ,1')點(diǎn)為P點(diǎn)在壁板板坯的平面輪廓曲面網(wǎng)格中的對應(yīng)點(diǎn)，P ^ i(x ；I,y ; ι),P ; 2(χ ; 2，i丨2).P ; 3(χ ; s. y ; 3)為Pi，p2，P3點(diǎn)在壁板板還的平面輪廓曲面網(wǎng)格中的對應(yīng)點(diǎn)，則P ;點(diǎn)坐標(biāo)為Χ ; = S1X ； !+S2X ; 2+S3x ; 3 y ； = S1Y ； !+S2Y ;2~*~S3y 3; 步驟7 :按照與步驟3中對應(yīng)特征線或特征點(diǎn)投影過程相反的投影方向及相同的投影距離，將壁板板坯的平面輪廓內(nèi)的投影特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)投射到平面板坯空間中，得到平面板坯空間中的特征線點(diǎn)列和特征點(diǎn)；按照步驟4中的離散關(guān)系將平面板坯空間中的特征線點(diǎn)列連接，得到平面板坯空間中的特征線；按照步驟2中對應(yīng)特征線、特征點(diǎn)和界面的關(guān)系構(gòu)建平面板坯空間中的界面，按照步驟2中界面與對應(yīng)可分離幾何體之間的關(guān)系確定并構(gòu)建平面板坯空間中的可分離幾何體；按照步驟I中各個(gè)可分離幾何體之間的對應(yīng)關(guān)系，將平面板坯空間中的各可分離幾何體組合，得到壁板平面板坯幾何模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種三維整體壁板展開建模方法其特征在干曲面展開方法為基于單元變形能的復(fù)雜曲面優(yōu)化展開算法。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種三維整體壁板展開建模方法，將整體壁板幾何模型分解為多個(gè)可分離幾何體，將可分離幾何體在整體壁板外形曲面上的位置用特征點(diǎn)、特征線在整體壁板外形曲面上的投影來確定。用有限元網(wǎng)格離散曲面并用曲面展開算法展開整體壁板外形曲面網(wǎng)格，得到整體壁板平面板坯的輪廓形狀和尺寸。利用面積坐標(biāo)方法確定特征點(diǎn)、特征線點(diǎn)列在平面板坯上位置。根據(jù)特征點(diǎn)、特征線點(diǎn)列，采用相對投影方向不變、相對投影距離不變、相對位置關(guān)系不變的方法構(gòu)建平面板坯幾何模型。本方法實(shí)現(xiàn)了整體壁板展開建模過程的流程化、精確化，適用于各種具有復(fù)雜外形曲面的整體壁板件的板坯展開與建模，可提高航空航天等領(lǐng)域整體壁板設(shè)計(jì)制造的效率和精度。
文檔編號G06T17/00GK102842147SQ20121023743
公開日2012年12月26日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者張賢杰, 司朝潤, 王俊彪 申請人:西北工業(yè)大學(xué)