[发明专利]利用实体建模计算任意形状密闭容器中的液位

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于模拟含有液体的密闭容器（下文称为“容器”）的系统和方法。例如在液体-燃料运载交通工具的设计阶段工程模拟中，这样的系统是有用的。这样的系统也可应用于减少用于确定燃料液位的燃料箱中的传感器数量，或者地质结构的相关液位和液体体积量，如水库和油田。

背景技术

据了解，使用机翼内部形状的矩形平切近似法，计算对于不同的机翼姿态、不同的倾斜角和偏航角和不同的机翼偏转的飞机机翼中的燃料分布。该已知的解决方案具有以下缺点：（1）依赖于特定几何形状和拓扑结构（即机翼）；（2）需要结构输入的广泛格式化和减少的几何表示发挥作用；（3）使用近似解决方法，并因此不提供精确的解决方案；（4）现有软件是用FORTRAN语言编写，其复杂、维护困难且难以改进；（5）现有软件与其他解决方案（如飞机的重心对于不同飞行角度的计算）很难结合在一起；（6）分析结果是通过要求客户编码来读取和编写的专有文件格式交换。

需要改进的系统和方法，其用于在静态或动态情况下（如密闭容器在特定方向上是加速的）精确计算在不同空间方向的任意形状密闭容器的液位（在此也称为“液体表面平面位置”）。

发明内容

本发明是涉及通过使用实体建模技术计算在任意复杂形状容器（如燃料箱）中的液位的系统和方法。实体建模包括理论、技术和系统的主体，其集中在允许所表示实体的良好定义的几何性质被自动计算出的表示。许多明确表示实体的方案是已知的。边界表示是图形，其中图形的节点表示面、边和顶点，并且其连线表示关联和邻接关系。大多数实体建模器为在实体对象上的布尔运算提供支撑。布尔运算被用在实体建模中，以通过例如立方体、圆柱体和其他边界表示的参数化实体单元的加法和减法限定实体对象。

为了利用实体建模，需要在实体表示上运算的应用算法。几何算法处理表示实体的数据（符号结构）。特别地，公知算法用于计算几何上复杂的实体的体积、转动惯量和其他性质。

本文所公开的实施例使用边界来表示燃料箱，但是本发明不限于专门使用燃料箱边界表示。本文所公开的实施例也使用实体建模布尔运算，以建立一种系统，其使用准确几何上的准确计算来确定在任意复杂形状容器中的液位。这些实施例补充支持实体建模布尔运算，以通过一个数量级减少代码量。这些实施例不依赖于近似法。给定液体体积和任意形状密闭容器，所公开的实施例极大地简化液位和其他性质的计算，如在不同容器方向上的可用和不可用液体的量、液体的可接近性、暴露的表面面积和过液表面面积、在容器中任何位置处液体高度和具有容器方向变化的体积转移。

根据本文所公开的实施例，模拟系统包括用软件编程的处理器，其使用实体建模布尔运算并结合非线性方程求解器来计算在任意形状密闭容器中的液位，如飞机机翼中的燃料液位。

更具体地，根据一个实施例，实体建模器输出密闭容器的边界表示至非线性方程求解器。密闭容器的实体模型表示沿着其边界的形状，其由在共同边缘处被连接在一起以形成“防水的”封闭空间的一组的面组成。

非线性方程求解器把密闭容器的实体模型边界表示、所需空间方向、动态条件（如横向加速）和液体的量作为输入。为了获知在容器中的液位，系统求解器通过使用表示容器液位的无限水平半空间（或其他形状的半空间）迭代地执行连续的布尔减法运算。所得平切实体模型被用来计算在该液位的液体体积。

当平切密闭容器的计算体积匹配在给定的容差内液体（如燃料）的指定体积时，迭代系统求解器终止。系统求解器的结果是对应于给定体积的液体的实体模型边界表示。为了适应动态条件，例如，当加速出现时，如以翻转或爬升的方式，水平液体平面被在对应于总加速度的角度的平面替代。

根据另一实施例，模拟系统被设计，以适应具有形成由挡板中的窄节流孔连接的隔室或隔间的内部挡板的密闭容器。液位高度计算（如前描述的）被首次应用到每个隔室（即隔间），以计算初始液体高度。接着，液头（由在两个换流容器之间的液位差异产生的压力）在每对连接的隔间之间被计算出。然后，此信息被用来计算液体如何在隔间之间流动，以使液位变得水平。