基于曲率生成气动部件外形的方法

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基于曲率生成气动部件外形的方法
申请号	CN201711078392.3	申请日	2017-11-06	公开(公告)号	CN108038259B	公开(公告)日	2021-05-28
申请人	中国商用飞机有限责任公司; 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院;			发明人	毛昆; 薛飞; 马涂亮; 程攀; 张美红; 汪君红; 张冬云; 赵宾宾;
摘要	本发明公开了一种基于曲率生成气动部件外形的方法。本发明的方法，包括以下步骤：预设气动部件的初始外形曲线；对初始外形曲线进行NURBS曲线参数化表达，得到表达初始外形曲线的NURBS插值曲线的节点矢量和控制点坐标；计算插值曲线相对于节点矢量的一阶导数和二阶导数,进而求得曲率；根据插值曲线的曲率是否与目标外形曲线一致，决定继续迭代运算还是输出当前的插值曲线；如果继续迭代运算，则利用目标外形曲线的曲率和节点矢量及一阶导数求得新的二阶导数值，并进一步计算得到新的控制点坐标，进而与节点矢量一起，构成新的插值曲线。本发明能够高效快速地计算获得符合设计目标的气动部件的整条外形曲线，具有极高的效率。
权利要求	1.一种基于曲率生成气动部件外形的方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一、获取目标外形曲线的多个位置的曲率以及前后缘型值点的坐标和切矢作为设计目标参数，并预设气动部件的初始外形曲线；步骤二、对所述初始外形曲线进行NURBS曲线参数化表达，得到表达所述初始外形曲线的NURBS插值曲线的节点矢量和控制点坐标；步骤三、计算所述NURBS插值曲线相对于所述节点矢量的一阶导数和二阶导数,进而求得所述NURBS插值曲线的多个位置处的曲率，其中所述NURBS插值曲线的多个位置和所述目标外形曲线的多个位置一一对应；步骤四、判断所述NURBS插值曲线多个位置处的曲率是否与所述目标外形曲线的多个位置的曲率一致，当判断结果为否时，利用所述目标外形曲线的多个位置的曲率和所述节点矢量及所述一阶导数求得新的二阶导数值，并执行步骤五，当判断结果为是时，执行步骤六；步骤五、利用所述节点矢量、所述新的二阶导数、所述目标外形曲线的前后缘型值点的坐标及切矢，计算得到新的控制点坐标，并与所述节点矢量结合，得到新的NURBS插值曲线，替换原NURBS插值曲线并返回步骤三；步骤六、将所述NURBS插值曲线作为输出结果。 2.如权利要求1所述的方法，所述预设的初始外形曲线为从翼型公开数据库中选取的翼形外形曲线。 3.如权利要求2中所述的方法，所述翼型公开数据库为NASA翼型数据库。 4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气动部件包括飞机的机翼部件、尾翼部件、机头部件。
说明书全文	基于曲率生成气动部件外形的方法技术领域 [0001] 本发明涉及气动设计领域，尤其涉及基于曲率生成气动部件外形的方法。背景技术 [0002] 对于飞机机翼、尾翼、机头等气动部件，曲率与它们的气动特性有非常直接的联系。在气动设计工作中，最为主要的一个参数是压力分布，压力分布决定了气动部件的升力、阻力、力矩以及流动分离等特性。 [0003] 气动设计的一个基本要求是曲率连续，只有曲率连续了，压力分布才不会出现突变，也不容易出现流动分离。不仅如此，曲率的分布形态也会直接影响压力分布形态，曲率分布是否合理是压力分布是否理想的前提。 [0004] 然而，现有的参数化设计方法，包括Hicks‑Henne参数化方法、PARSEC参数化方法、样条参数化方法和CST参数化方法等都是基于几何形状进行参数化的，这样表达虽然直观，可以直观的看到气动曲线的形状，但是这些参数化方法与部件的气动特性(压力分布)之间的关系并不直观。要想得到理想的压力分布，必须要反复移动型值点位置，而且很难找出它们之间的规律，即使利用数值优化方法进行自动优化，也需要消耗相当长的时间。 [0005] 另外，在现有的参数化方法中，样条参数化方法由于它具有非常好的局部控制和光顺处理能力而得到了最为广泛的应用，目前大多数CAD软件如CATIA等软件中，就是使用其中的NURBS参数化方法。然而，现有的这类方法是一种利用型值点来参数化的方法，完全不包含曲率信息，对于多段表达的外形曲线，最多也只能保证相切，很难控制曲率连续，同时，也比较容易出现波浪外形，需要反复调节型值点来消除波浪外形。发明内容 [0006] 本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对于气动部件的参数化设计方法，与部件的气动特性之间的关系不够直观、明确，为了得到理想的压力分布所需进行的优化过程耗时非常久的缺陷，提出一种基于曲率生成气动部件外形的方法。 [0007] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的： [0008] 本发明提供了一种基于曲率生成气动部件外形的方法，其特点在于，其包括以下步骤： [0009] 步骤一、获取目标外形曲线的多个位置的曲率以及前后缘型值点的坐标和切矢作为设计目标参数，并预设气动部件的初始外形曲线； [0010] 步骤二、对所述初始外形曲线进行NURBS曲线参数化表达，得到表达所述初始外形曲线的NURBS插值曲线的节点矢量和控制点坐标； [0011] 步骤三、计算所述NURBS插值曲线相对于所述节点矢量的一阶导数和二阶导数,进而求得所述NURBS插值曲线的多个位置处的曲率，其中所述NURBS插值曲线的多个位置和所述目标外形曲线的多个位置一一对应； [0012] 步骤四、判断所述NURBS插值曲线多个位置处的曲率是否与所述目标外形曲线的多个位置的曲率一致，当判断结果为否时，利用所述目标外形曲线的多个位置的曲率和所述节点矢量及所述一阶导数求得新的二阶导数值，并执行步骤五，当判断结果为是时，执行步骤六； [0013] 步骤五、利用所述节点矢量、所述新的二阶导数、所述目标外形曲线的前后缘型值点的坐标及切矢，计算得到新的控制点坐标，并与所述节点矢量结合，得到新的NURBS插值曲线，替换原NURBS插值曲线并返回步骤三； [0014] 步骤六、将所述NURBS插值曲线作为输出结果。 [0015] 较佳地，所述预设的初始外形曲线为从翼型公开数据库中选取的翼形外形曲线。所述目标外形曲线可以为气动部件迭代优化设计的中间过程的一条外形曲线。 [0016] 较佳地，所述翼型公开数据库为NASA翼型数据库。 [0017] 较佳地，所述气动部件包括飞机的机翼部件、尾翼部件、机头部件。 [0018] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。 [0019] 本发明的积极进步效果在于： [0020] 本发明的基于曲率生成气动部件外形的方法，在NURBS曲线的基础上，结合了曲率的表达方式，可以利用有限个点的曲率及几个型值点和切矢来反求出整条外形曲线，并据此通过较为高效快速的迭代运算来得到符合设计目标的气动部件的整条外形曲线，相比现有技术显著提高了设计效率。附图说明 [0021] 图1为本发明一较佳实施例的基于曲率生成气动部件外形的方法的流程图。具体实施方式 [0022] 下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。 [0023] 在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。 [0024] 参考图1所示，根据本发明一较佳实施例的一种基于曲率生成气动部件外形的方法，其包括以下步骤： [0025] 步骤一、获取目标外形曲线的多个位置的曲率以及前后缘型值点的坐标和切矢作为设计目标参数，并预设气动部件的初始外形曲线； [0026] 步骤二、对所述初始外形曲线进行NURBS曲线参数化表达，得到表达所述初始外形曲线的NURBS插值曲线的节点矢量和控制点坐标； [0027] 步骤三、计算所述NURBS插值曲线相对于所述节点矢量的一阶导数和二阶导数,进而求得所述NURBS插值曲线的多个位置处的曲率，其中所述NURBS插值曲线的多个位置和所述目标外形曲线的多个位置一一对应； [0028] 步骤四、判断所述NURBS插值曲线多个位置处的曲率是否与所述目标外形曲线的多个位置的曲率一致，当判断结果为否时，利用所述目标外形曲线的多个位置的曲率和所述节点矢量及所述一阶导数求得新的二阶导数值，并执行步骤五，当判断结果为是时，执行步骤六； [0029] 步骤五、利用所述节点矢量、所述新的二阶导数、所述目标外形曲线的前后缘型值点的坐标及切矢，计算得到新的控制点坐标，并与所述节点矢量结合，得到新的NURBS插值曲线，替换原NURBS插值曲线并返回步骤三； [0030] 步骤六、将所述NURBS插值曲线作为输出结果。 [0031] 应当理解的是，步骤一中所获取的目标外形曲线，是气动部件迭代优化设计中间过程的一条外形曲线。其中，型值点是指通过测量或计算得到的曲线或曲面上多个描述曲线或曲面几何形状的数据点。 [0032] 根据微分几何的定义，曲线的曲率可以由曲线的一阶导数和二阶导数来表达。同样，如果已知曲线的曲率和一阶导数，也可以计算得到曲线的二阶导数。由曲线的节点矢量、二阶导数及前后缘型值点和切矢，就可以利用NURBS曲线插值的方法，可直接求取满足条件的NURBS插值曲线。 [0033] 此时，求得的曲线的曲率与目标外形曲线的所述多个位置或者说多个点的曲率可能是不一致的。如前所述，本发明期望得到的气动部件外形曲线应当是曲率连续且避免波浪外形的出现，从而避免压力分布的突变或者流动分离。因此在存在上述曲率不一致的情形下，需要通过迭代的方法加以修正。 [0034] 即，计算生成外形曲线的一阶导数及二阶导数，进而得到曲率，判断是否与目标外形曲线的曲率一致。如果不一致，则利用目标外形曲线各位置处的曲率和前后缘型值点坐标及切矢为设计参数，再配合使用当前外形曲线(即当前获得的NURBS插值曲线)的节点矢量和一阶导数，求得目标外形曲线的二阶导数，进而插值求得新的外形曲线(即新获得的 NURBS插值曲线)。如此迭代，直到得到获得符合条件的NURBS插值曲线，作为最终的目标外形曲线。 [0035] 根据上述方法可基于曲率生成得到整条外形曲线，达到通过曲率直接控制生成的气动部件外形曲线的特征的目的。即，作为输出结果的NURBS插值曲线，可表示气动部件的整条外形曲线。 [0036] 虽然本发明的方法需要经过反复迭代，但是经过多个实例验证，一般迭代次数在十次以内即可达到相当高的精度，计算效率高，耗时短。该方法可以直接通过曲率来生成气动部件外形曲线，因此可以直接控制多段表达的外形曲线在间断处的曲率连续，也可以通过控制曲率的正负值(方向)从而容易地保证外形曲线不出现波浪形，还可以利用曲率与压力分布之间较为明显的关系来控制翼型的压力分布。而传统的NURBS曲线插值方法只能通过各型值点的坐标或各型值点处的切矢来求得曲线，因此对于分段表达的外形曲线，很难控制其曲率连续，并且很难在参数化过程中控制曲线不出现波浪形，其对于压力分布的控制也远没有曲率控制的直接。这充分反映出了本发明的方法相比于传统的NURBS曲线插值方法的技术优势。 [0037] 本发明产生的外形曲线的参数化结果还可以直接被使用到或者集成到CAD软件环境中。 [0038] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。