（航空宇航制造工程专业论文）机翼整体壁板板坯快速建模与喷丸路径规划技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对机翼整体壁板板坯建模与喷丸路径规划问题进行了深入研究，提出 了基于特征映射的板坯快速建模技术和复杂翼型整体壁板喷丸路径规划算法。 通过对机翼整体壁板零件典型特征及建模过程的分析，将两者信息进行分 类，并细化分解为映射源信息与映射附属信息，构建了整体壁板特征模型。通过 整体壁板零件几何结构信息向板坯的特征映射，实现了壁板特征模型的状态转 换，并达到了板坯快速建模的目的。 在分析传统机翼整体壁板喷丸路径计算方法和成形影响因素的基础上，提 出了适用于现代复杂翼型整体壁板弦向曲率成形的喷丸路径算法，并以某壁板为 例进行了验证。 根据特征映射建模理论和喷丸路径计算方法，分别研究开发了机翼整体壁 板板坯快速建模和弦向曲率成形喷丸路径计算原型系统。 关键词：整体壁板，板坯，数字化制造，特征映射，喷丸成形 望! ! 王些态兰堡主鲎堡堡茎j ! 曼 a b s t r a c t a c e rt h er e s e a r c ho nb l a n km o d e l i n ga n ds h o tp e e n i n gp a t hd e s i g nf o ri n t e g r a l w i n gp a n e l an e wt e c h n o l o g yf o rr a p i db l a n km o d e l i n gb a s e df e a t u r em a p p i n g a n da n a l g o r i t h mf o rc o m p l e xi n t e g r a lw i n gp a n e l ss h o tp e e n i n gp a t hd e s i g n a r ep r e s e n t e d i nt h i st h e s i s w i t ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e l i n gp r o c e s so fa i r c r a f ti n t e g r a l p a n e lp a r t s ，t h e ya r ed i v i d e di n t oo r i g i n a la n d a c c e s s o r i a li n t b r m a t i o no fm a p p i n ga n d t h ef e a t 啊em o d e lo fa i r c r a f ti n t e g r a lp a n e li sb u i l t w i t ht h ef e a t u r em a p p i n gf r o m nt ob i a n k ，s t a t ec h a n g i n go fi n t e g r a lw i n gp a n e li sa c h i e v e da n d r a p i dm o d e l i n g f o rb l a n ki sr e a l i z e d b a s e d 豫t h es t u d yo fg e n e r a la l g o r i t t m l sf o ri n t e g r a lw i n gp a n e l ss h o tp e e n i n g p a t hd e s i g na n df o r m i n gf a c t o r s a l ls h o tp e e n i n gp a t hd e s i g na l g o r i t h mf o rc o m p l e 。 挂t e 擎舔w i n gp a n e l sf o r m i n gi nt h es t r i n gd i r e c t i o na r ep r o p o s e d ，a n d ap r o o f - t e s t 呈s t a k e n , a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r em a p p i n gt h e r o t ya n dp a t hd e s i g na l g o r i t b a n ，p r o t o t ? t i o e s y s t e m sf o ri n t e g e rp a n e la r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y o i lp c ， k e y w o r d s ： i n t e g r a lw i n sp a n e l ，p l a n ep a n e l s ，d i g i f i z e dm a n u f a c t u r i n g ，f e a t u 。8m a p p i n g p e e nf o r m i n g 鞋 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着现代飞机技战术指标的不断提高，飞机结构不断改进，制造工艺技术取 得了长足的进步。同时现代飞机也广泛采用整体壁扳代替铆接壁板或薄蒙皮，并 作为主要承力构件参与承载。随着新型航空飞行器、航天飞行器需求量的日益 增加，大量经过优化设计、性能优异的整体壁板件将成为一个必然的选择。机翼 整体壁板的制造水平直接影响飞机的性能，研究准确、高效的整体壁板成形技术 势在必行。 机翼整体壁板无论从外形还是结构上都曰趋复杂。外形上为提高气动效率， 翼型曲面由直纹面、带弯折的翼面发展到e t 前大型复杂机翼翼型曲面。为了提高 整体壁板的结构效率，壁板从带筋条的等厚结构发展到目前厚度呈不连续变化的 等强度设计，并且还带有一体化的加强筋、肋、减轻孔等结构。因此其制造难度 也不断增大，机翼整体壁板传统的制造模式难以适应现代大型复杂翼型整体壁板 的制造要求。 与机加零件制造方法相比，机翼整体壁板件的喷丸成形涉及复杂的几何模型 转换，而零件又是薄板料，刚性差，因此在制造过程中很难控制壁板的形状变化， 由于壁板结构的复杂也难准确设计出喷丸的工艺参数，这严重影响了壁板的成形 质量。国内目前对机翼整体壁板的喷丸成形还处在探索阶段，每确定一块新壁板 的喷丸工艺参数往往需要对多块l ：l 的试验板进行喷丸成形试验。 目前机翼整体壁板日趋复杂，新翼型、新结构不断出现，这给喷丸成形带来 极大的困难，即使是应用传统的试错法也很难获得令人满意的结果。急需对新型 壁板的制造过程进行深入研究。 整体壁板的板坯建模与喷丸路径规划是影响壁板制造周期及成形质量的两 个重要因素。机翼整体壁板的板坯模型是后期加工的前提，传统建模过程繁琐且 容易出错，只有准确、迅速的获得板坯模型才有可能满足现代整体壁板的制造要 求。机翼整体壁板的喷丸路径是喷丸成形的重要参数之一，优良的喷丸路径有利 于壁板的成形，不良的喷丸路径会对壁板成形带来负面影响、甚至无法成形出壁 板形状。这两个问题都对当前整体壁板制造造成了严重的影响。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 本论文从这两个问题入手，研究了整体壁板板坯的快速建模和喷丸路径的计 算方法，解决了板坯建模周期长和喷丸路径规划主要依靠喷丸经验的问题，这两 个问题的解决能有效的改善现代复杂翼型整体壁板制造困难的现状。 1 1 研究背景 1 1 1 机翼整体壁板 整体壁板“1 是由整块板坯制成的飞机整体结构承力件，整体壁板结构要素 ( 如长桁、蒙皮加强垫板等) 之间无任何连接，一般构成飞机的气动外形。 与其他钣金件相比，整体壁板件具有如下优点： 1 ) 结构元件的整体性，可实现零件等强度设计，提高结构效率。 2 ) 与相关构件协调性好，生产准备周期短，制造工时少。 3 ) 适合制作飞机密封构件( 油箱、气密舱) 。 出于以上优点，尽管其板坯制备设备复杂、材料利用率低，但自2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国的大、中型飞机都广泛采用整体壁板作为主要承力构件之一 参与承载。在我国也有多种型号的飞机采用整体壁板结构，整体壁板也将会是未 来航空航天器的关键结构件之一。 机翼整体壁板可进行如下分类： 1 ) 按内形可分为带筋条的整体壁板与不带筋条的整体壁板。 按筋条剖面形状可分为上形、工形和工形。 按筋条分布特点可分为平行筋条、放射形筋条，网格形筋条和平行、 放射形筋条等。 2 ) 按机翼的翼型可分为早期翼型、层流翼型、高升力翼型和超临界翼型。 3 ) 按喷丸成形工艺分类 早期的机翼外形曲面采用简单的直纹面，如图卜l a 所示。 - 由于机翼气动外形的发展壁板的展向出现局部弯折，形成带弯折的 局部马鞍形外形衄面，图l - l b 为带局部马鞍形的翼面。 _ 随着机翼设计水平的不断提高，翼型曲面出现复杂的连续变双曲形 式，如图卜l c 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜l 机翼整体壁板冀型按喷丸成形工艺分类 a ：直纹面b ：带局部马鞍形的翼面 c ：变双曲翼面 整体壁板的成形沿用了蒙皮成形的各种方法，并根据自身的特点逐步完善和 发展。一般说来，整体壁板有喷丸、滚弯、压弯、拉形、爆炸、应力松弛成形等 几种主要的成形方法。 1 1 2 我国机翼整体壁板制造现状 在整体壁板成形技术发展的四十余年中，各种成形方法在一定的历史条件 下和生产条件下均取得过成功的应用，但从总的趋势看，特别是现代飞机采用优 化没计的情况下，综合生产成本、技术复杂度、成形质量、发展潜力等方面因素， 生产实践表明，计算机数控( c n c ) 喷丸成形是目前可实施于生产的最佳方案。 从宏观看来，整体壁板喷丸技术似乎比较成熟、也不很复杂，但事实上，喷 丸成形是一种技术含量高、难度大的成形方法，这是由喷丸成形机理的复杂性决 定的。但技术的高复杂度并没有影响喷丸成形成为最佳方案，其原因在于以下几 个方面： ， 1 ) 对整体壁板优化的变厚度减重设计，喷丸成形可以完全适应。 2 ) 喷丸成形既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形。 3 ) 喷丸成形可以提高零件的疲劳强度和抗腐蚀应力的能力。 4 ) 无工艺余料，减少了成形后的修边或铣切工序。 5 ) 喷丸成形方法有较强的适应性。现代飞机蒙皮零件的长度可长达3 0 余 米，采用其它成形方法将增加设备投资。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 6 ) 工艺装备简单，无需成形模具。自由状态喷丸成形时只需要反外切样板 架作为检验夹具；预应力喷丸时，仅需要加一套简单的预应力夹具。设 计更改时，只需要改变喷丸参数和上述设备，准备周期短。 7 ) 成形和强化可使用同一设备或者同步进行。 以上几个方面无可替代的优点以及来自航空航天等部门对精密成形整体壁 板件的需要，使喷丸成为目前成形大型整体壁板件的首选方案。 我国目前机翼整体壁板件的设计制造水平还比较落后： _ 壁板设计 目前机翼整体壁板设计没有详细的建模标准，设计人员往往 根据自己的习惯进行建模，多样的建模方法不利于零件模型的使用。各航空企业 使用的通用c a d c a m 软件没有针对整体壁板的专用设计模块，从而使壁板的设计 工作需要进行大量繁琐的操作，影响设计人员将更多的精力投入到壁板的结构优 化上。壁板的设计与后续生产过程缺乏必要的信息交互。 板坯建模随着壁板结构的日趋复杂使壁板板坯的建模过程变的非常复 杂，如其中包含两次对原始模型的详细分析，草图提取前对模型的分析、板坯建 模过程中对模型的分析。三次对模型草图的分析，即展开计算前对结构特征草图 的提取及离散、曲面展开后草图的拟合、展开建模过程针对不同草图进行操作。 传统的板坯建模过程繁琐且易出错，严重影响壁板的制造周期。 工艺设计喷丸成形的工艺设计主要依靠工艺人员的实际喷丸经验以及 有针对性的喷丸实验，进行整体壁板件成形性分析、制定工艺流程及成形工艺参 数。喷丸路径是整体壁板喷丸成形的重要参数之一，对喷丸成形有决定性的影响。 目前喷丸路径的规划还停留在主要依靠经验和试喷的方法来确定的阶段。随着近 年来机翼设计水平的不断提高，机翼整体壁板外形结构日趋复杂，很难准确掌握 壁板的外形和结构的变化规律，因此传统经验型的喷丸路径设计方法很难应用于 现代复杂翼型整体壁板，这给喷丸路径的规划带来了极大的困难。 通过以上分析可见，在机翼整体壁板件的制造过程中，仍存在许多未解决的 技术难点。 航空企业为确定一块大型复杂外形整体壁板的毛坯往往需要耗费大量的时 间、人力、物力成本。1 。对一个具有复杂外形的大型整体壁板这个周期甚至超过 了后续制造所需时间的总合。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 张岩涛“4 提出了钣金零件全息特征模型。该模型是一种以全局零件信息为核 心，目的驱动的动态模型，通过特征映射以实现具体应用。模型首先建立全局零 件信息，将零件信息按照不同类别组织成具有应用意图的信息模型，将钣金零件 的设计制造过程按照实际应用的不同分为多个应用领域，通过映射实现从全局零 件信息到应用领域的信息转换。该框架为零件设计制造全过程提供统一的、完备 的数学模型，同时又避免了庞大的信息存储，使之具有很强的可扩充性。并应用 该模型对整体壁板零件进行了研究，实现了整体壁板在原始模型设计、外形曲面 展开、板坯建模过程中的信息共享，解决了以往展开建模中手工放样造成数字量 不能连续传递的问题。从板坯建模的角度看，该模型提高了模型的准确性，但板 坯建模过程并未得到简化，与整体壁板板坯快速建模流程相比本文将这种板坯建 模过程归类为传统建模流程。 盛兵“1 针对钣金零件多态衍化的特点提出了多态模型概念，它将产品制造过 程以离散状态划分，并为每个状态提供几何模型及其相关属性信息，在几何模型 方面，采用数字表达和实物表达相结合的协调控制方法，在数据信息方面，以状 态为数据信息定义、组织和管理的基本单元。多态模型和变维数据向量空间模型 是钣金零件制造信息全数字量表达和数字化集成定义的理想参考模型，为实现数 字化钣金制造奠定了基础。本文应用多态模型的思想对机翼整体壁板零件在制造 过程中的状态进行了划分，并分析了各状态模型间的转换关系。 国内外研究者通常将大型机翼整体壁板板坯计算建模处理为复杂曲面展开 的问题”“，关于壁板结构映射问题的研究则鲜有报道。而实际上，如何快速准 确地将各种结构特征映射到板坯平面上是解决大型复杂外形整体壁板板坯建模 问题的关键。 李国祥”1 在1 9 9 0 年对机翼整体壁板喷丸成形技术的发展进行了总结。主要介 绍了整体壁板件的发展，及相应喷丸成形技术的发展。 目前国内几乎没有关于整体壁板喷丸路径研究的相关报道。喷丸路径是喷丸 成形的重要工艺参数之一，对某些壁板的成形有决定性的影响，因此喷丸路径的 计算问题值得深入研究。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 论文相关理论和技术 1 2 1 机翼整体壁板喷丸成形 喷丸成形。1 是借助压缩空气或高速叶轮的离心力驱动球形金属弹丸流撞击板 坯表面，使受喷表层材料向四周延伸，表层面积增大，但又受到材料变形一致的 限制，导致板坯产生内弯矩而塑性变形；板坯在可控制和重复进行的弹流撞击下 逐渐达到要求的外形。 喷丸成形具有如下特点： 1 ) 喷丸成形时高速的球形弹丸撞击板坯表层，使一定深度的表层产生塑性 延伸变形。变形后，内应力达到平衡。喷丸在材料表面形成的应力层， 阻止和延缓裂纹的产生、扩展，并提高零件的疲劳强度。 2 ) 板坯接受给定弹流的喷射，当覆盖率达到饱和状态，零件不再变形。 3 ) 喷丸的送进方式和弹流参数可以随意匹配，加工程序有很大的灵活性。 4 ) 只要提供足够的弹丸散射面积，一般被加工零件的长宽尺寸不受限制。 5 ) 喷丸零件表层压应力的存在，提高材料疲劳性能和抗应力腐蚀能力，可 以和喷丸强化同步进行。 6 ) 虽然喷丸的设备和工艺装备简单，但加工过程对工人操作技巧和经验积 累依赖性很大，目前，尚未出现严格定量的工艺程序，针对具体零件靠 试喷数据和工人技术进行加工。 影响板件成形的主要喷丸参数为：喷丸路径、弹流速度、弹丸直径、喷射角、 喷射时间、喷嘴至工件表面的距离和弹流量等。其它的影响因素，如弹丸的材料、 比重、硬度和形状，喷嘴的结构等也有定影响。 1 2 2特征映射理论 特征映射是以特征模型为基础，在特征层上进行特征识别和抽取所研究领域 需要的信息，进而实现特征转换。多域特征映射理论以设计特征为基础，通过特 征映射技术向其它应用领域转换需要的信息，使得各种应用领域根据自身的特征 需求选择和利用设计模型信息。由于不同产品类型有其各自不同的结构特征，不 同的应用领域作为特征的几何元素可能是完全不同的。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 特征映射 设m 为一个映射域集，令f m 、g m 分别为两个不同领域的特征集，若 兀f ，有唯一的g 。f ，使得：g 。矿( 兀) ，则称v 是从f 到g 中的映射。记 作： v ：f 甘g( 1 1 ) 从工程应用的角度来看，不同应用领域间的特征映射关系实质上反应出特征 的分解、识别和转换关系。 2 ) 特征映射函数 特征映射关系可用函数关系描述，因此映射v 又称为特征映射函数。特征映 射函数一般是复合函数，多域间映射关系为 9 i ： f = v a v , ( v ，( f ) ) ) ( 1 2 ) 式中： 矿，筛选函数：过滤和选取映射域有用的特征信息。 矿提取函数：获取有关的其他特征属性和深化特征表示，以提高匹配效 能。 矿聚合函数：合成转换来的映射特征，得到该域需要的特征。 上述三个函数功能反映了特征映射过程。 3 ) 特征映射分类 特征映射主要有以下七种形式一对一映射、变异式重参数化映射、针对性映 射、归一性映射、聚合映射、分解映射、共轭映射。 1 。3论文主要研究工作和结构安排 1 3 1 主要研究工作 本论文的主要研究内容为： 1 ) 机翼整体壁板板坯快速建模技术 研究机翼整体壁板在制造过程中模型的转换关系，并划分整体壁板多态模 型。构建整体壁板特征模型用来表示不同状态的壁板模型。应用特征模型分析壁 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 板原始模型与板坯模型间的映射关系，建立典型特征映射算法实现特征模型的转 换，并将板坯特征模型信息记录在相应文件中。通过读取板坯特征模型文件的相 关信息进行特征重构，实现整体壁板板坯快速建模。 2 ) 喷丸路径计算方法 在总结传统翼型整体壁板喷丸路径规划原则、分析现代大型复杂翼型整体壁 板喷丸成形试验的基础上，对影响弦向曲率成形喷丸路径的因素进行分析。提出 适用于现代复杂翼型整体壁扳弦向曲率成形的喷丸路径计算方法。并按该方法进 行使能工具软件的结构设计。 1 3 2 论文结构安排 本论文共分为五章。内容安排如下： 第一章在简要概述我国机翼接体壁板制造现状的基础上，介绍了本论文的主 要研究对象及主要研究内容。 第二章研究基于特征映射的机翼整体壁板板坯快速建模技术。 第三章研究机翼整体壁板喷丸路径的计算方法。 第四章介绍了原型系统的功能模块，并通过实例演示了系统的运行流程。 第五章对本文的研究进行了总结和展望，并提出了论文的后续研究重点。 西北工业大学硕士学位论文 第二章机翼整体壁板板坯快速建模 第二章机翼整体壁板板坯快速建模 机翼整体壁板板坯模型是后期成形加工的前提，只有获得准确的扳坯模型、 机加出合格的板坯才有可能成形出整体壁板零件。整体壁板板坯建模过程是以壁 板原始模型的建模过程为依据的，板坯的建模过程繁琐、易出错且周期长。需研 究一种准确、高效的板坯模型建模方法。 2 1板坯建模流程优化 2 1 1 传统板坯建模流程 传统制造模式下整体壁板板坯建模流程，如图2 一l 所示。其建模过程可分为 待展信息的提取及记录、展开草图的获取、板坯建模三个主要阶段。 整体壁板原始数模 分析壁板外形曲面 投影特征草图 离散投影草图 记录离散点信息 外形曲面展开计算 展开外形曲面离散点拟合 板坯建模 展开 信息 提取 记录 展开 计算 _-_- 展开 草图 获取 _i 板坯 建模 图2 1 传统板坯建模流程 在这个建模过程中设计人员需熟悉并掌握壁板原始模型，从而进行展开信息 的提取与记录，首先提取壁板的外形曲面，将各结构特征的草图向外形曲面投影， 并将草图的投影曲线按照间距要求进行点离散，最后在待展开的壁板外形面上记 西北工业大学磁士学位论文 第二章机冀整体照板板坯快速建模 录离散点信息。 在震茺：计算完成居需掇取展开鞠面上记录的离散点信息，并对照壁扳的原始 模溅通过对相应离散点的拟合生成板坯模型的特征草图。最后对照蹙板原始模型 进行板坯建模。 在传绞熬扳菇遽攘逮獠中毒在大量懿萋复工作。懿其中怠含瑟次对嚣戆模鍪 的详细分析，草图提取前对模型的分析、檄坯建模过程中对模型的分析。三次对 旗翟摹鹭豹分析，即展开秘4 算蓠对结构祷鬣箪器韵提取及离散、蘸诞震开螽草图 的拟合、展开建模过程针对不同草图进行操作。传统的板坯建模过程繁琐且易出 错。 2 1 2板坯快速建模流程 基于特征映射的板坯快速建模流程，如图2 2 所示。莆先提取麓板原始数模 的特征信息建立整体壁板的特征模溅。然艨根据特缎映射关系替换原始数模特征 模型中相应的信息，从而得到板坯数模的特征模型。最后根据板坯的特征模型构 建熬俸壁投援坯数模。 展 开 计 算 图2 - 2 基于特征映射的整体壁板板坯快速建横流程 1 0 西托工、监大学 囊士学位论文第二二章机鬓整体壁板板坯快速建模 建模过程中主要涉及壁板特征的提取，原始壁板特征模型的建立、特征映射、 扳坯特征模型的建立及板坯稹型的重构等凡个中间环节。在建模过程中仅需设计 人员对壁税进行一次模型分析闾时提鞭壁板模型豹特征信息，省去了大量重复的 操作。显然板坯建模过程缮到了篾纯，建模效率得到了提高。 在这个建模过程中，通过特征跌射实现了从原始数模特征模型到扳坯数模特 钲模型的转换，从而根据板坯特征模型重构板坯数模。所以这种快速建模实现的 关键就是建立整体壁板的特征模型，并能够通过特征模型中相关信息的改变来实 现壁板状态模型的转换。 2 。2整体壁板特镊模型 2 2 1整体壁板创造过程中豹模型转换 多态模型是为了研究钣金零件的制造过程而提出的，多态模型的狭义定义“1 为由钣金零件各个状态数字化定义的几何模型共同构成的个统一、一致和完备 的数字模黧，邸多态数字模型，简称多态模嫠；多态模型掇供钣金零件各状态凡 可模型驰数字化定义，为整个数字化制造体系中钣金零件雏传递、协调和管理提 供一致的、糖确的数据。 在机翼整体壁板的喷丸成形中主要涉及整体壁板六个状态模型即壁板原始 模型、壁扳板坯模型、壁板下料模型、板坯工艺模型、成形零件模型以及修模后 的板坯模型。由于喷丸成形过程的复杂性，目前很难对整体壁板喷丸成形过程的 中间状态进行细分，也就没有其他的中间模型状态。整体壁板零件韵这六个状态 模型闯的关系如图2 3 所示。 由整体壁扳状态模型转换关系凰可以露出，整体蹙投屎始模型和板坯模型是 壁板制造过程中两个最重要的状态模型，其余四个状态模型可由这两个状态模型 经过提取轮廓信息、加入工艺特征及加入适当的修模量等简单处理获得。对整体 壁板多态模型的研究，核心就是对壁板原始模型和板坯模型的研究。 壁板原始模型和板坯模型怒整体壁板零件在喷丸成形中的最初板料模型和 最终成形零件模型，阊时也瑶以看成是数控加工静最终模型和蹬丸成形的最终模 型。是应不同应用领域的需要聪产生的，又由予其模跫豹相似性可以烽这醒个模 型之间的映射嬲为变异式霪参数化映射( 由于设计与应用活动参照系不同，故应 西北工业大学硼士学位论文 第二章机翼整体糍扳板坯快逋建模 用域中参数通过映射重新决定) 。 整俸麓板覆始模型是设诗部门完成的，是整个涮造过弦静蓿惑源，所潋怎样 由蹙板原始模型得到板坯模型就成为模型转换的研究重点。 i i 1 珏 图2 3 整体蹙板状态横型闻的转换关系 通过对机翼整体壁扳原始数模与板坯数模的比较可以蒲出，两个模型问存在 以下关系。 1 ) 两模型结构的拓扑关系完全相同。 2 ) 两模鏊鹃建模矮窿基本一致。 3 ) 原始模型的外形砸为空间曲面，板坯模型的外形蘅为平蕊。 板坯模翌可看成麓原始禳黧在空阔的震平状态。 西北工业大学硕士学位论文第二章机翼整体壁板板坯快速建模 2 2 2构建统一的整体壁板特征模型 整体壁板原始模型与板坯模型的相似性启示我们，可以通过建立统一的整体 壁板特征模型，实现各状态模型间的特征模型转换。 2 2 2 1 整体壁板特征分类 特征的定义依赖于具体的应用环境，目前还没有明确的定义。p r a t t 和 w i l s o n “。3 在1 9 8 5 年给出了一个比较广泛的关于特征的概念性定义：特征就是对零 件表面感兴趣的区域。般情况下，特征是指形状特征。由于应用的侧重点不同 和支持特征建模的几何与拓扑信息表达的差异，对于特征的理解和定义亦有差 异。虽然这些定义存在差异，但目前对特征基本上己形成了一个共识，即特征是 一组具有特定属性的实体。 关于特征的定义可分为概念性定义和操作性定义两大类。 1 ) 概念性特征定义给出涉及到各个应用领域的特征一般性描述，这种定义 外延较大，不能直接地用于实际操作。 2 1 特征的操作性定义是为了给一类特定特征的一个精确的描述，该定义可 直接用于计算分析、转换和操作。 根据以上特征的定义，可将整体壁板表示为结构特征、精度特征、材料特征、 技术特征、管理特征等特征的集合。整体壁板零件的结构特征用于描述零件的外 形结构，可进一步分解为几类相关的信息并由这些信息实现对整体壁板结构特征 的定义。 如图2 - 4 是一块机翼整体壁板的结构抓图，可以看出整体壁板的典型结构特 征有筋条特征、肋凸台特征、开口特征、加强围框特征、倒角特征等。 图2 4 机翼整体壁板结构 a ：筋条 b ：肋凸台c ：开口d ：加强围框 西北工业大学硕士学位论文 第二章机翼整体壁板板坯快速建模 机翼熬体壁板的主要特征可按图2 5 进行分类。 图2 5 机翼整体壁板特征分类 针对其体数整体壁叛零传，仪蠢结构姆 妥对壁叛豹鸶缝模型惹决定瞧懿影嚷 作用。故娶实现整体壁板不同状态模型间的转换，就是要裳现壁板结构特征在不 瓣状态模蘩满的转换。 2 2 。2 2 整体照板几何特征分解 从几何造型的角度来看，燕体壁板的结构特征又都可以归结为某类几何特 鬣。如魏凸台结擒在凡俘撩作上可翅结为凡餐遥羹中豹短誊蒂祷 歪、开口特绽在死 何操作上可归结为几何造型中的挖除特征。 对于每一种几何特征，在凡何造型定义时都需要有一定的约束条件。通常可 将几何特 疋的约柬条 牛分解为：特征类型、草图引用面、特征革熙、特征方向、 高度范围、布尔运算类型。 整体蘩扳原始数摸几蜓特征的孳匿雩l 惩藤为翼爨夔嚣，姆 芷方囱垂壹撬翼参 考平面。整体壁板扳坯模型几何特征的革图参考面均为展开外形面( 展开外形面 与坐标系懿x o y 蟊蒗台) ，所有特征静方向筠垂壹予震开睾丽。程凡窝建模对可 使用1 与。t 来表示特征的方向，使用l 与0 来代袭布尔搬与布尔减操作。 如壁板数模上高度为l o m m 的肋凸台的几何特征可分解为表2 一l 的形式。 表2 - 1 控 孛特，锺鲍努瓣 特征类型草图引用面特征草圈特征方向商度范围 布尔运算类型 l 辍始数模控梅冀壁麴嚣耀始模壁攀霾 lo 一1 0 i 板坯数模拉伸展开平面板坯模型草图 l0 1 0l 从表中可以看出，除了草图引用面与特征草图，原始模型和板坯模型几何特 征的分解信息完全一样。蕊对于朦始模型攀图引熙覆总是翼型曲藤，板坯模型的 西北工业大学硕士学位论文 第二章帆翼整体壁板板坯快速建模 草图引用丽电总是展开平丽。故只需替换艇板几何特征的这两项信息，就可以完 藏壁板爨始数模见褥蒋，疰两壁叛敬坯数接凡俺特缝懿转换。 从壁板原始数模几何特征到扳坯数模几何特程的转换，关键就是实现壁板几 何特征草图及草圈引用面的转换。整体壁板的几何特征可按图2 - 6 进行分解。 整俸登板维掬特征 几何特短 几何主特征il 几何辅助特征 映射源信息【l 映射附属信息 截圈同圈圉灌 e h 壁板几何特征分解图可以糟出，特征草图的转换是实现整个壁板转换的关 键。瑟将征摹鹜又可按甏2 7 送行熬分解。 图2 - 7 几何特征草图的分解 西北工业大学硕士学位论文 第二章机翼整体蹙板板坯快逛建模 经过进一步分解，特，怔草图被分解为离敞点，这样特征草图的转换就转化为 簧毅点懿转换。 2 2 2 3 特征映射的实现 经过上述分析，整体壁板从原始模型向扳坯模烈的转换，就归结不同状态模 登阙特 歪鼙匿离数点戆转换。 原始数模几何特征草图离散点与板坯数摸几何特征草图离散点闻的对应关 系跫通过爨板外形曲面展开计算联系在一匙的。 整髂璧叛舞彩熬蘑蔗采鼹离教佑方法逡行交三壤窒润铡乎瑟黪皎懿t u j 。这襻 可以获得曲面展开前后离散三角网格结点嫩标的对应关系。按照空间三角形中一 点的面积黧标在袋开前后不交静藤翼 j 确定离散点晌展开坐标阍。这样就可以通 过展开睦蕊网格绻点在展开前后的位置关系，获得煨开曲筒上草图离散点农展开 曲面上的位置，从而建立怒离散点的对应关系。 2 。2 2 。4整髂疆援将镬模型 通过以上对整体壁板特征分类、分解以及特征蒜模型状态转换的分析，可以 建立整体爨板特 芷模型分解图，如图2 - 8 所示的。 该模型是枧翼憋体壁檄的统一特征模型，其中包含了用于定义蹩体壁极蹶震 的所有信息。对于特征模型的存储通过文件实现，为了便于特征模型的使用及修 羧，猿鬣模型数建立嚣要遴雾蠢鞋下藩巍。 1 ) 模型的信息按精度特征、材料特征、技术特征、管理特，傲、结构辅助特 镀、葶鹜弓| 滔蠢及绩梅潦征相应鹣凡餐将链颓痔逡行存麓。 2 1 对于结构特征根据壁板建模的顺序即壁板主结构特征、筋条特征、肋凸 台特征、开口特征及加强围框特征等进行存储。 3 1 各几何特惩的倍慰按特缄廖号、特征类型、特征方向、尺寸范匿、布尔 遥算类型及特征萆图进行存储。 4 黪征摹国接线元熬总数及各线元进行存德。 5 ) 线元按离敞点的总数及顺序离散点的坐标进行存储。 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第= 章机翼整体壁板板坯快速建模 图2 - 8 整体壁板特征模型分解 这就形成了整体壁板特征模型的框架结构，根据不同的模型状态，只要在该 框架中添加适当信息就可以得到壁板在不同状态下的特征模型。 在整体壁板原始数模的特征模型建立完成后，只需要转换该特征模型中草图 引用面信息、及各几何特征草图离散点的坐标信息就得到了该壁板的板坯数模特 征模型。从而实现整体壁板各模型状态的转换。 2 3整体壁板板坯快速建模 2 3 1 板坯快速建模的特征映射描述 将整体壁板件c 分解为几何特征f ( f _ 1 ，2 ，胛) 的集合，将壁板几何特征f 蕊托王监大学硬士举霞谵竞 第二章瓿鼙熬体懿挂授鹱筏迷建楼 分勰惫特鬣炎黧( t y p e ) 、赘鬣鼙鬻( s k e t c h ) 、程鼹部坐掭蓑下憋援穗露予努 跨越藤游穷离( d i r e c t i o n ) 、姆徭在黎方霸主瓣昃曹滚溺( l e n g t h ) 、与箕它 特繇麓布尔遮冀炎鍪( b o o l e a n ) 簿五爨信惫，静； o = u 霉 2 一i ) l f = r ，髫，囝，五，磐 ( 2 - 2 ) 其中，霞为整棒壁躐上瀚蘩i 争结褥特键，f 为姆铽类塑，s 为将鬣攀胬，d 毙特鬣方睫，五为尺寸范嚣，嚣为特矮懿枣零逡冀类型。 撂熬搭蹙援势瓣为凡秘特征，霉孥壁扳歹b 馋特薤分孵为分类傣息表示囊，从整 镩熬摄兰维数横0 戮教篷数模尹瓣浃辩霹转换为姆缱嚣辩姨瓣，势最终转换辫 特懑分类偿恩的映辩，繇 p ；联o( 2 - 3 ) 其中矿为姨整体璧援三雅数镤e 烈投坯数壤p 的映射。 将( 2 * 一1 ) 式、 2 - 2 ) 蕊代入土式嚣褥 ，n、n” p = 矿 u | = u y 曩) = u y 霉，墨，魏，毛，蕊) ) k3 4 4 1 1 4 1 7 2 - 4 ) = u 歹援) ，矿( 墨x 矿毽，矿p ，扩( 避) j 辟j 在整体壁授袋嚣过程中，器绪秘姆缝霞蹙缀上静谯鐾姆菠裳燮佬； | 霉犬爨骥 丸躐形实验豪骥，嚣结擒棼嚣撩对予爨帮垡掭系豹黪蔹方肉以及澄糁疑方翔上媳 豆辩足哼簌躞悫蕊彩蘸螽霭珏避罄激为不茨奎嶷弦；穗逻辑美蕊上，在裁澎过程 中蔷特征静枣尔运冀爽墼氇不会发奎交讫。霹诧， 矿( 1 ) = 霉，矿( 爨) 。鼋，矿( 毛) = 磊，矿骂) = 强 ( 2 一) 散 尹= u 写，矿 s ) ，b ，毛，零 聚澎涝奄净望 、r 、t 一j 7 卜、 | 1 、 图3 一l o 网格顶点及其邻接三角面片示意图 3 4 1 3三角网格顶点上法矢的计算 离散网格点处的法矢使用该点周围的若干个三角面片法矢的加权平均来计 算，以各三角形面积作为权因子估算法矢。 散乱数据点三角化后，在点r 周围有m 个点只( f = 1 ，2 ，删) 与之相邻接，m 个三角面片所在的各平面有m 个单位法矢h ，心，h 。如图3 - t l 所示。 图3 1 1 顶点及其邻接三角形法矢 西北工业大学硕士学位论文 第三章复杂翼型整体壁板喷九路径规划 由p o ，只，只+ 。所组成的三角形的法矢行。可由( 3 7 ) 式确定“5 1 墨= 墨211 墨! ! 二墨2 l ( 只一昂) ( 只+ ，一晶) l | ，i = 1 ，2 ，m( 3 - 7 ) 由p o ，p 只+ 所组成的三角形的面积s 可由( 3 8 ) 式确定 p 堕兰娶兰! 趔，f = l ，2 ，m ( 3 _ 8 ) 加权平均后，p o 点处法矢 。可由( 3 - 9 ) 式确定 ( 3 - 9 ) 3 ，4 1 4 拟合点的参数化 针对要计算曲率的p o 点搜索其二阶邻点，并进行坐标变换，使p o 成为新坐 标系o x y z 的原点，。z 。与晶点处的法矢同向，则x o 。y 面落在r 点的切平面内。 将只点的二阶邻点向x o y 面作投影，任意选取“、v 坐标轴可能会导致数据点分 布过于集中归一化的结果会丢失大量原有数据信息，影响后继拟台的效果。在投 影点中，搜索离成最远的点戎。连接p j 、p ：两点的直线作为u ；v 晦l ，垂直于“ 方向的直线方向作为v 方向，此时可进行二阶邻点的参数化，如图3 1 2 所示。 y 。 l v j - - 。：、1 ? , - - - - - ，、 i ， 、 j 。| ，一。+ i 。二。 风j x 、 ? j j 、一-一。 图3 1 2 坐标变换示意图 西北工业大学硕士学位论文 第三章复杂翼型整体壁板喷丸路径规划 转。 数据点的参数化需经以下步骤得到： 1 ) 平移变换 将原始坐标系向p o 点作平移，使只点成为新坐标系的原点。 2 ) 向量旋转 在此将向的旋转分解为一向量绕其垂直向量的旋转、一向量绕任意向量的旋 一向量绕其垂直向量的旋转 假设空间一向量蜀( _ ，y ，z 。) 绕另外一个与其垂直的向量r 。( x 。，y 。，z 0 ) 按 右手定则旋转0 角，得到向量记为r ：( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，如图3 1 3 所示。则x 2y 2 ，z 2 可由式( 3 - 1 0 ) 确定。 、坞( z ：，y 2 , z 2 ) ，r l ( x ，_ y 。，z 。) e ，7 7 0 一r ( ，y o ，z o ) 幽3 1 3 同童绕具囊瓦同重旋转不蒽幽 为方便计算，我们假设0 点是坐标原点。在一般情况下，需按相对坐标 的规则首先将需要旋转的向量转换成图3 一1 3 的形式。 而2 x - c 。s 臼一赢1 羔三i s t n 口 y ：! 心口一丽1 喇l z , 扣曰 ( 3 _ 1 0 ) 矗：而c o s 扫一1 1 l m l s i n 0 毛2 气。8 扫一j 赢j 三五1 8 1 n 一向量绕任意向量的旋转 空间一向量r ( 一，z ，) 绕任意一个向量( x o ，y o ，= 。) 的旋转，计算工作需 分= 步，第一步，将被旋转的向量进行投影，分解为垂直投影和平行投影。 西北工业大学硕士学位论文 第三章复杂翼型整体壁扳喷丸路径规划 i 7 7 b 一】) 、叫孙， rc o ss i n oo r = 卜叭薯目叶 1 1 ) p 。= 兰虹，只，= 卫_ 叠。 ( 3 1 2 ) x m 科一x m l ny m “一y m i “ 从而完成数据点的参数化。 西j l t 业太学硕士学位论文 第三章麓杂翼型按体壁板喷丸路径规划 3 4 1 5 8 样条益瑟 堇 台与馥率计算 双三次b 样条趋嚣的定义为8 ”： 33 r ( u ，v ) = 谚，m ，( “) 哆，( v ) ，“，v e o ，1 】； ( 3 一1 3 ) 娟” 这里控制顶点以，呈拓扑矩形阵列，形成一个