一种三维机翼结冰后表面重构方法技术

本发明专利技术公开了一种三维机翼结冰后表面重构方法，包括如下步骤：提取三维飞机机翼结冰后表面坐标以及曲面单元的连接关系，对数据进行处理，寻找每个单元的相邻单元，确认其中任意一个只有三个相邻单元的作为起始单元；根据起始单元，确定两个相对的相邻单元作为纵向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元；根据上一步骤中寻找到的第一列纵向单元，以起始单元剩下的相邻单元作为横向遍历方向，依次寻找纵向单元相邻的横向单元，以此，将无序的冰形曲面数据转换成可用于曲面重构的网格控制点；根据新拓扑出的网格控制点，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼表面。本发明专利技术能够实现三维结冰分步计算，同时保证结冰计算精度和稳定性。

A Surface Reconstruction Method for 3-D Wing after Icing

【技术实现步骤摘要】
一种三维机翼结冰后表面重构方法
本专利技术涉及曲面重构
，尤其是一种三维机翼结冰后表面重构方法。
技术介绍
飞机结冰是飞机飞行中广泛存在的一种现象，也是造成飞行安全事故的主要隐患之一。飞机结冰问题的研究可以采用冰风洞实验和数值模拟计算两种方法。数值模拟可计算多种工况条件下的飞机结冰问题，并且价格便宜、运行效率快，逐渐成为结冰研究的一个重要手段。国内外对二维结冰的数值模拟已经研究成熟，但由于机翼外形的复杂性，每个截面的结冰情况并不相同，因此采用三维数值模拟方法可以更精准的模拟飞机实际结冰情况。国外对结冰问题的研究较早，目前已经开发了多款结冰计算软件，如美国的LEWICE、加拿大的FENSAP-ICE、法国的ONERA、英国的DRA、意大利的CIRAMIL等。国内近年也不断研究三维飞机结冰问题，飞机结冰问题是一个动态过程，冰层在飞机表面随时间积累不断变化，即飞机的气动外形不断变化，现目前在对三维结冰计算时是按准定常方法进行，与实际的结冰过程有一定差别，因此采用多时间步长研究三维结冰问题具有更实际性的意义。目前，没有采用多时步长研究三维结冰问题主要原因是没办法快速准确地得到结冰后复杂的机翼表面几何模型。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种三维机翼结冰后表面重构方法，能够实现三维结冰分步计算，同时保证结冰计算精度和稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种三维机翼结冰后表面重构方法，包括如下步骤：(1)提取三维飞机机翼结冰后表面坐标以及曲面单元的连接关系，对数据进行处理，寻找每个单元的相邻单元，确认其中任意一个只有三个相邻单元的作为起始单元；(2)根据起始单元，确定两个相对的相邻单元作为纵向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元；(3)根据步骤(2)中寻找到的第一列纵向单元，以起始单元剩下的相邻单元作为横向遍历方向，依次寻找纵向单元相邻的横向单元，以此，将无序的冰形曲面数据转换成可用于曲面重构的网格控制点；(4)根据新拓扑出的网格控制点，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼表面。优选的，步骤(1)中，寻找每个单元的相邻单元具体为：如果两个单元具有公共边，则认为这两单元相邻，两个单元某两个点交叉相等，则认为具有公共边。优选的，步骤(4)中，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼表面具体为：B样条曲线可定义如下：式(1)中：di(i＝0,1...n)为B样条曲线的控制顶点(坐标)；Ni,k(u)(i＝0,1...n)为k次规范B样条基函数；i为控制顶点和样条基函数的编号；n为控制顶点的数量；k为B样条曲线的阶次；u为B样条曲线的参变量；基函数Ni,k(u)是由一个称为节点矢量的非递减参数u的序列U所决定的k次分段多项式，可以由DeBoor-Cox公式给出：B样条曲线按其节点向量中节点的分布情况，可划分为四种类型，其中非均匀B样条曲线的Hartley-Judd方法适用性更广，Hartley-Judd定义域内的节点区间长度按下式计算：式(3)中：ui为在节点区间U上的第i个节点；lj为由控制顶点di-1和di连接得到的边长；一张k×l次NURBS曲面的一般表达式为：式(4)中：di,j为NURBS曲面的控制顶点；ωi,j为与顶点di,j联系的权因子；将沿纵向计算得到的B样条曲线上的点作为新的控制顶点，得到张量网格沿横向计算，利用以上的方法就可以得到重构以后的曲面。本专利技术的有益效果为：本专利技术可以将结冰计算推广到三维空间中，更加接近于飞机实际结冰情形；通过各个时间步长的网格重构，首次实现了三维结冰分步计算，同时保证了结冰计算精度和稳定性。附图说明图1为本专利技术的三维结冰机翼表面单元分布示意图。图2为本专利技术的单元节点排序示意图。图3为本专利技术的机翼表面单元查找方法示意图。图4为本专利技术的机翼表面单元新拓扑结构示意图。图5为本专利技术的结冰机翼曲面重构流程示意图。具体实施方式一种三维机翼结冰后表面重构方法，包括如下步骤：(1)提取三维飞机机翼结冰后表面坐标以及曲面单元的连接关系，对数据进行处理，寻找每个单元的相邻单元，确认其中任意一个只有三个相邻单元的作为起始单元；(2)根据起始单元，确定两个相对的相邻单元作为纵向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元；(3)根据步骤(2)中寻找到的第一列纵向单元，以起始单元剩下的相邻单元作为横向遍历方向，依次寻找纵向单元相邻的横向单元，以此，将无序的冰形曲面数据转换成可用于曲面重构的网格控制点；(4)根据新拓扑出的网格控制点，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼表面。计算模型取NACA0012三维机翼，经飞机结冰计算后，机翼前缘因为冰层积累，导致其表面外形改变。图1显示了机翼结冰表面单元分布图，机翼表面是由多个四边形单元组成，四个节点C1、C2、C3、C4按右手定则排列，单元面法向量沿大拇指方向。首先提取三维飞机机翼结冰后表面节点数NODE、表面单元序号CELL、表面单元节点序号(C1、C2、C3、C4)以及表面上每个节点的坐标(X、Y、Z)。接着根据提取到信息，对数据进行处理，先寻找每个单元相邻个数，如果两个单元具有公共边，则认为这两单元相邻。因给定的信息中并没有给出边的信息，所以本专利技术根据边上的两个节点进行判断，即两个单元某两个点交叉相等，则认为具有公共边。图2显示了上一个单元的右边是否有公共边的判断过程，即判断下一个单元(cell_1、cell_2、cell_3、cell_4)边上节点与上一个单元cell的C2、C3关系，如果满足判定条件，则认为两个单元相邻，并对下一个单元四个节点按照C1-C2-C3-C4重新排序。选取任意一个相邻单元个数等于3并且靠近尾翼的单元作为起始单元，根据起始单元的相邻单元方向，将其转化为如图3所示。如图4所示，选取起始单元DOWN方向作为纵向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元，判断方法参考如图2。接着选取起始单元RIGHT方向作为横向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元，以此，将无序的冰形外面数据点转换成可用于曲面重构的网格控制点。根据新拓扑出的网格控制点，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维冰形曲面。B样条曲线可定义如下：式(1)中：di(i＝0,1...n)为B样条曲线的控制顶点(坐标)；Ni,k(u)(i＝0,1...n)为k次规范B样条基函数；i为控制顶点和样条基函数的编号；n为控制顶点的数量；k为B样条曲线的阶次；u为B样条曲线的参变量。基函数Ni,k(u)是由一个称为节点矢量的非递减参数u的序列U所决定的k次分段多项式，可以由DeBoor-Cox公式给出：B样条曲线按其节点向量中节点的分布情况，可划分为四种类型，其中非均匀B样条曲线的Hartley-Judd方法适用性更广。Hartley-Judd定义域内的节点区间长度按下式计算：式(3)中：ui为在节点区间U上的第i个节点；lj为由控制顶点di-1和di连接得到的边长。一张k×l次NURBS曲面的一般表达式为:式(4)中：di,j为NURBS曲面的控制顶点；ωi,j为与顶点di,j联系的权因子。图5显示了结冰机翼曲面重构步骤，根据重组后的顶点坐标，先沿纵向计算出该方向由控制顶点确定的B样条曲线，在将沿纵向计算得到的B样条曲线上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维机翼结冰后表面重构方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)提取三维飞机机翼结冰后表面坐标以及曲面单元的连接关系，对数据进行处理，寻找每个单元的相邻单元，确认其中任意一个只有三个相邻单元的作为起始单元；(2)根据起始单元，确定两个相对的相邻单元作为纵向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元；(3)根据步骤(2)中寻找到的第一列纵向单元，以起始单元剩下的相邻单元作为横向遍历方向，依次寻找纵向单元相邻的横向单元，以此，将无序的冰形曲面数据转换成用于曲面重构的网格控制点；(4)根据新拓扑出的网格控制点，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼表面。

【技术特征摘要】
1.一种三维机翼结冰后表面重构方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)提取三维飞机机翼结冰后表面坐标以及曲面单元的连接关系，对数据进行处理，寻找每个单元的相邻单元，确认其中任意一个只有三个相邻单元的作为起始单元；(2)根据起始单元，确定两个相对的相邻单元作为纵向遍历方向，依次寻找该方向所有相邻单元；(3)根据步骤(2)中寻找到的第一列纵向单元，以起始单元剩下的相邻单元作为横向遍历方向，依次寻找纵向单元相邻的横向单元，以此，将无序的冰形曲面数据转换成用于曲面重构的网格控制点；(4)根据新拓扑出的网格控制点，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼表面。2.如权利要求1所述的三维机翼结冰后表面重构方法，其特征在于，步骤(1)中，寻找每个单元的相邻单元具体为：如果两个单元具有公共边，则认为这两单元相邻，两个单元某两个点交叉相等，则认为具有公共边。3.如权利要求1所述的三维机翼结冰后表面重构方法，其特征在于，步骤(4)中，采用双三次非均匀B样条曲面重构算法构建新的三维机翼...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱春玲，朱程香，赵宁，王红兵，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32