一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法

本发明属于模型重构领域，涉及一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法。

背景技术：

1、目前，曲面加筋结构由于其轻质、比刚度高、良好的动静态性能等特点，已广泛应用于航空航天、舰船及重大工程体的主承重结构设计中。然而，为了满足气动外形、受限空间以及安装设计等需求，工程结构往往被设计成异形曲面加筋的结构形式，这种结构形式由异形曲面蒙皮和筋条组成。异形曲面结构往往具有母线非直、变截面形状、变厚度的特点，该类结构多被应用于飞机发动机、无人飞行器尾喷管等关键部位。同时，工程上为了继续提升结构整体性能，设计的复杂化程度不断提升，导致加工制造难度激增，不利于创新设计构型的真实应用。因此开展异形曲面加筋结构的实体模型重构，对于异形曲面加筋结构的加工制造及工程试验验证等具有重要意义。

2、已有的异形曲面实体模型重构方法，是通过获取曲面上的部分点的数据，由点及线，由线到面，面动成体的方式来实现实体模型重构（201710376794.5）。比如通过测量或计算得到曲面上的行值点，依次把各个截面曲线行值点的空间坐标导入三维建模软件中，利用样条曲线绘制各截面曲线，进而对截面曲线进行曲面拟合，最后将各个曲面通过缝合、布尔运算等构建实体模型。而对于异形曲面加筋结构，由于其设计空间复杂，所需行值点过多，以上方法难以直接应用于此种结构的实体模型重构。

3、因此，亟需发明一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，简单快速地构建异形曲面加筋结构的精细实体模型，对于工程优化与设计具有重要研究意义和实用价值。

技术实现思路

1、针对传统建模方法无法解决异形曲面加筋结构高保真度实体重构问题，本发明提出了一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法。首先，根据壳体有限元网格模型获取蒙皮曲面节点坐标数据；其次，提取节点坐标，创建截面线串，通过截面线串构建蒙皮曲面壳体模型；然后，偏置蒙皮曲面壳体模型，投影截面线串，构建筋条壳体模型；最后，延伸并加厚蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型，切除多余实体，得到蒙皮曲面和筋条的实体模型，实现异形曲面加筋结构高保真度实体模型的重构。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，包括以下步骤：

4、第一步，根据有限元模型获取异形曲面加筋结构的节点坐标，包括蒙皮曲面外轮廓节点坐标和蒙皮筋条的交线节点坐标。具体的：

5、1.1）从壳体有限元模型中提取蒙皮曲面的网格节点，其中，表示蒙皮曲面的外轮廓节点，表示蒙皮曲面和筋条的交线节点。

6、1.2）将网格节点分组，建立两个集合，其中一个集合包含蒙皮曲面的外轮廓节点，另一个集合包含蒙皮曲面和筋条的交线节点，将集合和节点信息存入输入文件中，得到节点坐标数据文件。

7、第二步，根据节点创建截面线串，基于截面线串构建蒙皮曲面壳体模型。具体的：

8、2.1）从第一步中得到的节点坐标数据文件中提取节点坐标，根据有限元模型分别将节点连结成蒙皮截面线串和筋条截面线串；其中，中的表示第条蒙皮截面线串，表示组成该蒙皮截面线串的第一个节点，表示组成该蒙皮截面线串的中间节点，表示组成该蒙皮截面线串的最后一个节点；中的表示第条筋条截面线串，表示组成该筋条截面线串的第一个节点，表示组成该筋条截面线串的中间节点，表示组成该筋条截面线串的最后一个节点。

9、2.2）将所有蒙皮截面线串和筋条截面线串组合后，再划分为两组，其中一组同方向的截面线串定义为主曲线，而另一组大致垂直于主曲线的截面线串定义为交叉曲线，形成多条同方向的主曲线和多条同方向的交叉曲线。进而将所有主曲线沿着所有交叉曲线方向扩展成曲面，得到蒙皮曲面壳体模型。

10、第三步，偏置蒙皮曲面壳体模型，通过投影筋条截面线串构建筋条壳体模型。具体的：

11、3.1）将2.2）中建立的蒙皮曲面壳体模型沿着筋条高度方向偏置一定距离，偏置距离等于筋条高度，得到偏置曲面，所述的筋条高度方向指蒙皮曲面壳体模型上布有筋条一侧的法向方向。

12、3.2）为使最终建立的实体模型光滑平整，将蒙皮曲面壳体模型沿着筋条高度方向再偏置两次，得到偏置曲面和。其中，的偏置距离略小于蒙皮的最小厚度，通常取最小厚度的25%~50%；的偏置距离略大于筋条高度，通常比筋条高度高1~2mm。筋条建立在和之间。

13、3.3）将2.1）中建立的筋条截面线串投影到偏置曲面和上，再将两个偏置曲面上的投影曲线对应扩展成曲面，得到筋条壳体模型。

14、本发明的创新之处在于通过偏置蒙皮曲面壳体模型，投影筋条截面线串，构建筋条壳体模型，保证了蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型相互垂直的位置关系，从而提高了实体模型重构的精度。

15、第四步，延伸蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型，对模型进行精细化处理。具体的：

16、将第二步得到的蒙皮曲面壳体模型沿着其边界曲线向外延伸一定距离，通常取5~10mm；同时将第三步得到的筋条壳体模型沿着其边界曲线向外延伸一定距离，通常取5~10mm。避免最终建立的实体模型不平整。

17、第五步，加厚蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型并切除多余实体，获得异形曲面加筋结构的实体模型。具体的：

18、将蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型分别加厚并合并。切除多余实体，包括筋条壳体模型高度方向以及蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型延伸部分，得到异形曲面加筋结构的实体模型。

19、当异形曲面加筋结构实体模型为变厚度时，需要在第二步中创建变厚度截面处的截面线串，并在第四步中将变厚度截面处的截面线串投影到偏置曲面上，再将该截面线串和上的投影曲线对应扩展成曲面，得到截断曲面壳体模型。最后，采用截断曲面壳体模型对蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型进行切分。

20、本发明的有益效果为：

21、本发明通过提供一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，以曲面加筋结构的壳体有限元网格模型作为输入，方便快捷地进行实体模型的重构。区别于传统的异形曲面实体模型重构方法，本发明不需要过多行值点即可对加筋构件进行模型重构。随着先进加工制造技术的发展，本发明对于异形曲面加筋构件的加工制造和工程试验验证具有重要意义，方便开展后续的工程优化与设计。

技术特征：

1.一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，其特征在于，所述的第五步具体为：将蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型分别加厚并合并；切除多余实体，包括筋条壳体模型高度方向以及蒙皮曲面壳体模型和筋条壳体模型延伸部分，得到异形曲面加筋结构的实体模型。

4.根据权利要求1所述的一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，其特征在于，所述的步骤3.1）中，偏置距离等于筋条高度。

5.根据权利要求1所述的一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，其特征在于，所述的步骤3.2）中，的偏置距离取蒙皮最小厚度的25%~50%；的偏置距离比筋条高度高1~2mm。

6.根据权利要求1所述的一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，其特征在于，所述的第四步中，第二步得到的蒙皮曲面壳体模型沿着其边界曲线向外延伸距离为5~10mm；第三步得到的筋条壳体模型沿着其边界曲线向外延伸距离为5~10mm。

技术总结
一种异形曲面加筋结构实体模型重构方法，属于模型重构技术领域，其步骤包括：1）根据有限元模型分别获取蒙皮曲面外轮廓节点坐标和蒙皮筋条的交线节点坐标；2）根据节点创建截面线串，基于截面线串构建蒙皮曲面壳体模型；3）沿筋条高度方向偏置蒙皮曲面壳体模型，投影截面线串，构建筋条壳体模型；4）向外延伸蒙皮曲面和筋条壳体模型；5）加厚蒙皮曲面和筋条壳体模型，切除筋条高度方向及延伸部分的多余实体。本发明面向设计构型复杂的曲面加筋结构，提出了一种高保真的实体模型重构方法，解决了异形曲面加筋结构建模手段欠缺，壳体模型无法加工制造的难题，可为异形曲面加筋结构创新设计构型真实应用提供有效支撑。

技术研发人员：田阔,郭聪,王博,李红庆
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24