一种基于插值方法的自由变形参数化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于插值方法的自由变形参数化方法，首先是对控制体中各个控制点进行局部坐标的初始化，然后通过迭代计算出各控制点的真实局部坐标，进而通过选取高精度的插值方法对控制点进行插值，计算出目标网格点的初始局部坐标，使得目标网格点初始局部坐标十分接近其真实局部坐标，或者就是目标网格点的真实局部坐标，来减少目标网格点局部坐标的迭代求解，甚至不迭代，进而提高了各个目标网格点真实局部坐标的迭代求解计算效率，加快了气动优化设计的进程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于插值方法的自由变形参数化方法
本专利技术涉及气动计算领域，具体涉及的是控制体控制点及每个目标网格点初始局部坐标的自由变形参数化方法。
技术介绍
随着航空航天技术的高速发展，航空器和航天器正向着高效、大负载、超高速和耐高温等方向发展，使得航空航天器的气动外形变得更加复杂与精细化。这就使得航空航天器气动外形的详细设计变得尤为重要，而气动优化设计作为航空航天器详细设计中关键的一环，起着减阻、增升等作用，为航空航天器气动性能的提升提供重要的保障，可以说是航空航天器设计定型成功与否的关键。气动优化设计作为航空航天器设计定型与生产的关键，主要包括四个方面的要素[1]：几何参数化、气动分析方法、优化算法、优化目标与约束。几何参数化作为气动优化设计迭代执行过程中的基石，直接决定了气动优化设计的设计空间和设计效果。自由变形技术(FreeFormDeformation,FFD)作为现行气动优化设计的主流参数化方法，自扬伯翰大学的Sederberg和Parry[2]于1986年提出后，便受到了研究人员的广泛关注与重视，并不断对该参数化方法进行改进，逐渐使得该方法具有高鲁棒性、能在指定控制范围内连续光滑变形、控制参数数量合理及控制点影响区域局部化[3]等特性。虽然FFD参数化方法已取得了长足的发展，但其对目标网格点局部坐标的求解与初始化任存在耗时严重，计算效率低等问题。这严重影响了气动优化设计的进程，甚至限制了航空航天器的设计迭代效率。因此，本专利技术就FFD参数化过程中目标网格点局部坐标求解与初始化效率低的问题，提出一种基于控制框局部坐标插值方法[4]的参数化方法，来计算各目标网格点局部坐标的FFD改进参数化方法。[1]张宇飞.基于先进CFD方法的民用客机气动优化设计[D].北京:清华大学,2010.[2]朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].北京:科学出版社,2000.[3]唐静,邓有奇,马明生等.飞翼气动优化中参数化和网格变形技术[J].航空学报,2015,36(5):1480-1490.[4]李立州.流固耦合数据的界面非线性降维传递[M].北京:科学出版社,2018。
技术实现思路
本专利技术的目的在与，通过对控制体局部坐标进行插值的方式，来获得各目标网格点的局部坐标，使得各目标网格点的局部坐标接近真实值，从而减少现有FFD参数化方法计算目标网格点局部坐标的迭代次数，提高目标网格点局部坐标的计算效率，加快气动优化设计进程。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于插值方法的自由变形参数化方法，包括：S1:对控制体上各个控制点局部坐标进行初始化；S2:对控制体上各初始局部坐标进行迭代，获取各个控制点真实局部坐标；S3:利用插值方法对控制体真实局部坐标进行插值，获取目标网格点的初始局部坐标；S4:对目标网格点初始局部坐标进行迭代，获取目标网格点真实局部坐标；S5:在S4中，设置输入步长控制因子，调整迭代步长，加快迭代速度；S6:调整控制体上的控制点，使控制体变形，通过计算网格局部坐标和变形后的控制点全局坐标，计算获得控制体变形后的物面网格变形。在上述技术方案中，在S1中包括：S11:根据输入的控制体，建立局部坐标系，将待变形物面嵌入到局部坐标系中，并确定局部坐标系原点在全局坐标系的位置；S12:对控制体以局部坐标系原点为起始点，沿着x，y，z三个方向进行编号；S13:根据编号，在x，y，z中的任一方向上，按顺序确定相邻两个控制点之间的距离和该方向上的几何长度；S14:该方向上任一控制点局部坐标为该控制点与下一个控制点之间的距离与该方向上几何长度的比值。在上述技术方案中，根据自由曲线曲面造型技术构造雅克比矩阵，并获得雅克比矩阵的逆，从而得到参数空间局部坐标与当前全局坐标的映射与迭代关系。在上述技术方案中，所述映射与迭代关系用于S2中对初始局部坐标进行迭代，用于S4中对目标网格点初始局部坐标进行迭代。在上述技术方案中所述插值方法为反距离加权插值方法。在上述技术方案中所述反距离加权插值方法包括以下步骤：S31:在全局坐标系下，获取每一个控制点到目标网格点的空间距离；S32:计算每一个控制点对目标网格点的影响权重；S33：将控制点的局部坐标和各权重值利用插值函数获取目标点的局部坐标。在上述技术方案中，在S5中：S51:设置一个迭代步长数，进行一次局部坐标初始化的步长控制因子；S52:根据步长控制因子控制的迭代步长数，完成迭代后对下一次的迭代设置不同的迭代步长。在上述技术方案中，所述迭代步长数可以为任意实数，所述控制因子可以为任意数。在上述技术方案中，所述迭代步长数依次逐步减小。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过对控制框真实局部坐标的插值，来获得各目标网格局部坐标，在保证插值方法精度的情况下，所得的目标网格局部坐标必然十分接近其真实值，甚至就是真实值，从而减少了目标网格局部坐标的迭代次数，甚至无需迭代；这就大大提高了目标网格局部坐标的求解效率，加速了整个参数化和气动优化设计的进程；解决了FFD参数化过程中待变形物面网格局部坐标迭代耗时长与初始化效率低的问题。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1待变形物面网格；图2原始控制体及其各个顶点；图3基于插值方法的FFD参数化方法流程图；图4步骤二中所述的控制体按方向编号；图5步骤三中所述的控制体顶点局部坐标初始化示意图；图6步骤九和步骤十中所述的网格节点局部坐标；图7步骤十一中所述的控制体顶点变形；图8步骤十二中所述的物面网格跟随控制体变形。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。本实施例的待变形物面网格如图1所示，为翼型为NACA0012的1.5米直机翼模型，x方向为弦长方向，y方向为展向方向，z方向为垂直于翼面方向；初始控制框如图2所示，为x，y，z三个方均为4个控制点；同时为方便阐述本专利技术，本实施例安装图3的步骤执行流程。步骤一：根据输入的控制体立局部坐标系，将待变形物面嵌入，并将坐标最小点定为局部坐标系原点。步骤二：将控制体按照x，y，z分别对每个控制点进行I，J，K编号，使得每个控制点都有对应的(i,j,k)编号，具体形式如图4所示。根据控制点的编号，按顺序确定各方向控制点之间的距离及该方向的几何长度。即，以x方向为例，当控制点J，K编号不变时，先确定编号为I＝i和I＝i+1的点之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于插值方法的自由变形参数化方法，其特征在于包括：/nS1:对控制体上各个控制点局部坐标进行初始化；/nS2:对控制体上各初始局部坐标进行迭代，获取各个控制点真实局部坐标；/nS3:利用插值方法对控制体真实局部坐标进行插值，获取目标网格点的初始局部坐标；/nS4:对目标网格点初始局部坐标进行迭代，获取目标网格点真实局部坐标；/nS5:在S4中，设置输入步长控制因子，调整迭代步长，加快迭代速度；/nS6:调整控制体上的控制点，使控制体变形，通过计算网格局部坐标和变形后的控制点全局坐标，计算获得控制体变形后的物面网格变形。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于插值方法的自由变形参数化方法，其特征在于包括：
S1:对控制体上各个控制点局部坐标进行初始化；
S2:对控制体上各初始局部坐标进行迭代，获取各个控制点真实局部坐标；
S3:利用插值方法对控制体真实局部坐标进行插值，获取目标网格点的初始局部坐标；
S4:对目标网格点初始局部坐标进行迭代，获取目标网格点真实局部坐标；
S5:在S4中，设置输入步长控制因子，调整迭代步长，加快迭代速度；
S6:调整控制体上的控制点，使控制体变形，通过计算网格局部坐标和变形后的控制点全局坐标，计算获得控制体变形后的物面网格变形。


2.根据权利要求1所述的一种基于插值方法的自由变形参数化方法，其特征在于在S1中包括：
S11:根据输入的控制体，建立局部坐标系，将待变形物面嵌入到局部坐标系中，并确定局部坐标系原点在全局坐标系的位置；
S12:对控制体以局部坐标系原点为起始点，沿着x，y，z三个方向进行编号；
S13:根据编号，在x，y，z中的任一方向上，按顺序确定相邻两个控制点之间的距离和该方向上的几何长度；
S14:该方向上任一控制点局部坐标为该控制点与上一个控制点之间的距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗骁，宋超，余婧，蓝庆生，杨全顺，刘智侃，赵莹，江盟，刘旺林，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51