[发明专利]一种适用于类圆柱形三维曲面的自由曲面变形方法

说明书

本发明公开了一种针对类似圆柱形物体的三维自由曲面变形方法，用于解决现有曲面变形方法针对圆柱形物体变形能力弱的问题，提高了针对类似圆柱形物体进行径向和周向变形的能力。具体步骤为：第一步，在直角坐标系下使用离散点坐标数据来表示三维曲面，围绕该曲面建立自由曲面变形控制框并得到控制框的坐标；第二步，定义圆柱坐标系并将曲面和控制框的直角坐标转换为圆柱坐标，在圆柱坐标系下建立虚拟框；第三步，在圆柱坐标系下使用控制框和虚拟框建立基于自由曲面变形方法的数学映射关系，求解得到所需要的参数坐标；第四步，在圆柱坐标系下修改控制框的坐标并求解得到变形后的曲面点坐标；第五步，将变形后的曲面的圆柱坐标转换为直角坐标。

技术领域

本发明涉及飞机设计技术领域，具体为一种适用于类圆柱形三维曲面的自由曲面变形方法。

背景技术

近年来，基于计算流体力学的气动外形优化设计方法已经成为一个重要的研究领域和设计工具，得到了许多研究者和工程设计人员的关注，对于国家正在坚持的大飞机发展战略有着重要作用。三维曲面变形方法(也被称为参数化方法)作为优化设计方法中的重要模块，其作用是使设计者能够使用数学变量来改变三维曲面外形。曲面变形方法对于外形的修改需要满足连续性、光滑性、符合几何特征等工程上的要求，并且曲面变形方法所需要的设计变量的多少对于优化设计方法的效率有至关重要的影响。民用飞机短舱设计、飞机机头设计的需求，对类似圆柱形曲面的变形方法提出了要求。

现有的一些曲面变形方法应用于圆柱形或类似圆柱形物体时存在一些缺陷，主要问题在于现有的曲面变形方法有较强的直角坐标系特征，难以针对圆柱形物体获得所需要的径向和周向变形，另外所需要的设计变量数目较多，若将之应用于气动优化设计中则会大大增加计算量和时间的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有曲面变形方法对于类似圆柱形物体的曲面变形能力不足的问题，为这类物体的曲面设计提供一种具有针对性和高效的设计方法。

本发明的技术方案为：

所述一种适用于类圆柱形三维曲面的自由曲面变形方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据设计要求，选取类圆柱形设计对象，利用曲面生成工具得到类圆柱形设计对象的基本外形，并在直角坐标系下使用离散点坐标数据表示类圆柱形设计对象；

步骤2：围绕类圆柱形设计对象建立自由曲面变形控制框，并得到直角坐标系下的控制框坐标；

步骤3：定义圆柱坐标系，将类圆柱形设计对象以及控制框的直角坐标转换为圆柱坐标，并在圆柱坐标系中建立虚拟框；

步骤4：在圆柱坐标系下，根据控制框以及虚拟框并基于自由曲面变形方法，建立数学映射关系

并求解得到参数坐标；其中X是类圆柱形设计对象需变形曲面上任一点的全局坐标向量，(u,v,w)是与X对应的参数坐标向量，P_i,j,k是控制点的全局坐标向量，B_i,p(u),B_j,q(v),B_k,r(w)依次分别是p、q和r次B样条基函数，W_i,j,k为权因子；

步骤5：在圆柱坐标系下，根据变形要求，修改若干个控制点P_i,j,k的坐标，且在变形过程中修改虚拟框的坐标，保持修改后的框控制点与虚拟控制点的角度坐标差量不变、径向坐标相等、轴向坐标相等；

步骤6：将变形后的类圆柱形设计对象的曲面圆柱坐标转换为直角坐标，得到类圆柱形设计对象的变形结果。

有益效果

本发明的方法与现有技术相比具有以下几方面的优点：