基于伸缩函数的平面参数曲线自由变形技术(英文)

提出了一种新的平面参数曲线自由变形方法 ,建立了相应的数学模型 :构造出特殊的伸缩函数 ,在此基础上得到变形算子矩阵 ,用它作用待变形曲线方程 ,或乘以某一向量场再加到曲线方程上去 ,从而使曲线发生形变。通过交互改变控制参数 ,可达到预期变形效果。实验表明 ,该方法数学背景简单 ,易于控制 ,重复使用可获得丰富的变形效果。适用于几何造型、计算机动画、CAD/CAM等领域。

基于自由变形技术的多投影颜色校正

为了解决多通道投影显示系统中各投影仪投影画面之间颜色不一致的问题,设计了一种基于自由变形技术的多投影颜色校正方法。首先,通过Bernstein基函数建立自由变形技术模型,建立各投影仪原始图像和摄像机拍摄图像之间的颜色转换关系;其次,采集原始图像集和摄像机拍摄的投影显示画面集,确定自由变形技术模型的参数;然后,通过Matlab分析验证投影图像各颜色通道之间是相互影响的;最后,对原始图像进行颜色扭曲,将本文颜色校正方法与传统方法进行直方图相似性评估对比。实验结果表明:对比广义颜色校正方法和基于B样条曲线的颜色校正方法,本文方法将投影画面的颜色强度平均差值在B通道减少了2.50,在G通道减少了2.34,在R通道减少了3.57,直方图的相关性提高了8.9%,巴氏距离降低了9.7%。基于自由变形技术的多投影颜色校正方法使投影画面衔接流畅,给用户带来更好的沉浸感受。

基于自由变形技术的汽车除霜风道导流板参数优化

针对汽车除霜风道结构复杂、不易于参数优化等问题,采用自由变形技术,对除霜风道内复杂形状的导流板进行快速参数化。将3块导流板放入晶胞型控制框架中,并选取5个位置的晶格控制点作为变形控制点;采用拉丁超立方试验设计方法构建42组样本,建立高可信度的径向基模型;利用遗传算法对导流板进行寻优,最后对优化后的结果进行数值模拟。研究结果表明:借助自由变形技术能有效改善前挡风玻璃表面A和B区的流场分布并提高对流换热能力,使A区除霜面积达到80%和100%的时间分别提前17 s和40 s,B区除霜面积达到95%的时间提前6 s。由此可见,自由变形技术可用于对除霜风道内复杂形状的导流板进行简单、高效的参数优化。

基于自由变形技术的混合排气喷管气动优化设计

以内外涵混合排气喷管为研究对象,建立了控制体与喷管网格模型的映射关系,通过控制点运动实现了喷管内、外涵双层壁面与网格同步、大曲率变形,并应用优化拉丁超立方设计(OLDH)方法创建了实验样本点。在此基础上,利用Isight软件驱动网格自由变形(FFD)模块和CFD仿真模块完成了所有样本点计算。结果表明:通过优选设计仿真结果,喷管推力系数提高0.6%,总压损失降低0.6%。对优选造型采用多段线+圆弧的方式进行了几何特征提取,获得的参数化造型与优选造型性能接近,具有一定的工程实用价值。

基于自由曲面变形技术的离心压气机叶片优化设计

为提高离心压气机叶片优化设计的效率、灵活性以及精细化程度,提出基于自由曲面变形技术的离心压气机叶片优化设计。利用自由曲面变形技术结合具有局部特性的B样条基函数,构建B样条基自由曲面变形技术方法,并结合多目标DNSGA遗传算法计算流体动力学对离心压气机叶片进行了额定工况、常用工况下的气动性能寻优设计。优化结果表明,优化设计可有效改善流场结构以及气动性能,利用较少的设计变量实现了离心压气机复杂曲面叶片高效灵活的精细化设计。

基于点约束的点云模型自由变形研究

自由变形技术是计算机图形学研究的热点问题之一。本文首先介绍基于点约束的变形技术,并将此应用于点云模型的自由变形中。然后介绍了高斯分布的相关特性,考虑到该算法变形基函数与高斯分布有类似性质,设计了一个阈值函数,结合该变形算法,将其应用到自由变形中,观察了其变形效果以及时间复杂性。通过试验,改进后的算法在保持变形效果的同时,计算时间明显减少。

DMFFD的曲面变形技术研究

本文首先介绍B样条曲线,并推广到B样条曲面及B样条体,然后在此基础上介绍直接操作自由变形技术(Direct Manipulation of Free Form Deformation),将此技术应用于曲面模型上,使得物体发生变形。在此基础上,对直接操作自由形式变形进行了改进,提出了以Nurbs曲线作为变形基函数的变形方法;并且讨论了Nurbs曲线的控制点和权因子的改变对变形的影响;然后,结合Nurbs曲线控制点和权因子的变化,完成DMFFD变形;最后,比较了以Nurbs作为变形基函数与以B-spline作为变形基函数变形的不同。实验结果表明,改进后的DMFFD变形有更好的选择性和自主性。

数据驱动的两级轴流涡轮多自由度气动优化设计

针对涡轮气动优化过程中设计变量多、评估耗时长、传统完全替代精确函数评估的代理模型辅助算法全局搜索性较差等问题,采用基于预筛选策略的代理模型辅助差分进化算法(Pre-SADE),并结合直接操纵自由变形方法 (DFFD)实现多自由度参数化控制,建立了基于数据驱动的多级涡轮三维气动优化平台。以某两级轴流涡轮为研究对象,选取44个设计变量开展流道-叶片排联合气动优化设计。结果表明:优化后涡轮设计点等熵效率提高1.10%,流量增加2.16%,落压比降低0.94%,激波强度降低,径向二次流得到抑制,内部流动损失减小。此外,涡轮设计转速全工况特性均有所改善。该平台在保证优化效果的同时,可大幅减少设计变量和真实评估次数,有效适用于多级涡轮、多自由度气动优化问题。

超巴拿马型集装箱船球艏型线优化研究

为获得更优的EEDI指数,实现油耗降低,要求集装箱船型线设计方案在不同的速度点均满足阻力较优。以一艘超巴拿马型集装箱船为研究对象,在人工优化后型线基础上,利用数值优化集成系统,采用最优化技术、自由变形技术（FFD）和计算流体力学技术（CFD）,对船体首部型线进一步优化。要在设计吃水下15~21kn速度段内,达到降低阻力的目的。模型试验和数值计算均证实这一多速度点数值优化比较成功。

集装箱船型线多速度点的数值优化

为获得更优化的EEDI指数,集装箱船需要基于营运范围内的型线优化,以实现油耗降低。文章以某集装箱船为研究对象,利用数值优化集成系统,采用最优化技术、曲面自由变形技术(FFD)和计算流体力学技术(CFD),对船体首部型线进行优化。数值计算表明:所得到的优化型线高速段功率略有增加、低速段功率显著降低。

基于过度加速度失效模式的船型优化研究

选择第二代完整稳性中过度加速度的长期失效概率为优化目标函数,对船舶进行全船型线优化.采用自由变形技术作为船舶几何重构方法,优化方法采用可避免陷入局部陷阱的随机搜索全局优化算法.对某渔政船进行程序实验,优化后得出的新船型长期失效概率降低64.35%,有效降低了该船发生过度加速度的概率,验证了程序的实用性.

基于离散伴随方法的三维机翼外形优化设计

目前民用飞机燃油消耗问题严重,因此开展气动外形优化对提高整机气动性能和燃油效率具有重要意义。针对全局优化方法和局部优化方法的特点,本文对民机开展基于离散伴随方法多约束气动问题进行研究,极大降低了计算量并提升了整机气动性能。在保证升力大小不变、机翼厚度和俯仰力矩不低于约束值的条件下,以降低飞机机翼阻力、提高机翼的升阻比为设计目标,对波音737-800机翼进行了气动外形优化设计。基于离散伴随方法来获得梯度信息,使用自由变形法进行机翼表面参数化,数值模拟基于可压缩欧拉方程进行外形优化。结果表明,自由变形法切实可行,在满足上述约束条件的前提下,波音737-800机翼在跨声速及小迎角条件下的阻力系数显著下降,升阻比得到大幅提升,取得了较好的优化效果。本文建立的优化设计方法为民机气动优化设计提供了参考并且可以广泛应用于工程实践。

轴流压气机叶片与机匣处理一体化优化设计

针对一台低速轴流压气机搭建了叶片与机匣处理一体化优化设计平台,基于自由变形技术关联设计参数与工程参数,实现多目标优化.综合考虑效率和裕度指标,在峰值效率不降的情况下获得了7.21%的裕度拓宽量.针对最优方案,分析了叶顶堵塞及损失分布,探讨了叶片与机匣处理一体化优化设计的扩稳机理.研究发现:叶片弯掠和机匣处理组合作用下,最大堵塞位置由24.7%叶顶轴向弦长后移至33.6%叶顶轴向弦长,最大损失位置由21.4%叶顶轴向弦长后移至30.6%叶顶轴向弦长,叶顶泄漏涡的抑制和低能堵塞区的消除是一体化优化设计扩稳的主要原因.

考虑螺旋桨滑流影响的机翼气动优化设计

涡桨飞机的机翼、短舱等部件在滑流作用下周围的流场特性与无滑流状态下截然不同。所以,应该在涡桨飞机的机翼气动设计过程中考虑螺旋桨滑流的影响,从而使得机翼在真实飞行时滑流作用下表现出更好的气动特性。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系(MRF)方法对螺旋桨滑流进行高精度准定常数值模拟,通过自由变形(FFD)技术实现螺旋桨飞机机翼的参数化构建,应用径向基函数(RBF)插值的动网格技术进行网格自动生成,获得样本机翼在滑流影响下的气动数据后,建立目标函数和状态函数的Kriging代理模型,结合随机权重粒子群优化(PSO)算法、Kriging代理模型和对应的EI(Expected Improvement)函数加点准则进行加样本点以及代理模型重建,从而建立滑流影响下机翼气动优化设计系统。使用该系统对某型螺旋桨飞机进行了滑流影响下的优化设计,结果表明,优化后的构型机翼和短舱在巡航状态下减阻达3.98counts,升阻比提高了3.325%。因此,建立的考虑滑流影响下的机翼优化设计方法是可行的。

平角旋转机构约束的管射无人机二次折叠翼气动优化设计

机翼分段折叠的二次折叠翼可有效增加管射无人机的展弦比,提升管射无人机的巡航效能。但连接分段机翼的第二展开机构使得内、外机翼过渡段包络面相对厚度增大,气动性能降低,恶化了二次折叠翼的巡航性能。因此,建立二次折叠翼气动设计方法具有重要意义。开展了考虑第二展开机构几何约束的二次折叠翼气动优化设计研究。首先,采用自由变形(FFD)技术对二次折叠机翼进行参数化建模。其次,结合CFD求解器和遗传算法搭建了气动优化设计系统。最后,在具体优化设计工作中,将第二展开机构几何约束转化为关键剖面的绝对厚度约束,通过求解FFD控制点影响因子将绝对厚度约束转化为控制点设计变量变化范围约束。应用该优化系统对二次折叠机翼在升力系数0.68设计工况下开展考虑机构约束的优化设计工作,结果表明,在满足机构约束的前提下,机翼气动阻力减幅达到9.3%,有效地改善了二次折叠机翼气动特性。

通航飞机高升力层流机翼优化设计

为了扩展机翼优化设计的工程应用范围,在传统气动优化约束的基础上,考虑结构布置的几何约束,对通用飞机层流机翼进行了设计。首先,采用自由变形(FFD)技术作外形参数化处理;然后,采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法,基于Kriging代理模型对某型通用飞机机翼进行了优化设计。设计过程考虑自然转捩工况,采用Menter k-ωSST两方程湍流模型和γ-Re_(θt)转捩模型对设计进行评估。计算结果表明,优化后机翼的巡航和爬升升阻比均有所提高、层流区延长、低头力矩变小,但最大升力系数减小了0.141,失速特性略有变差。

基于Bézier参数空间包络的改进公差建模方法

基于Bézier参数空间包络的公差建模方法建立了控制点变化与尺寸和形位公差之间的对应关系,但是针对最差情况下公差表示时采用最小内切超球作为控制点的变化范围,使得控制点变化的定义过于严格。因此,进一步推导了控制点变化超椭球范围的表达式,增加了控制点变化的范围,同时保证零件变形仍100%满足零件的公差要求,此外基于内切超球和超椭球定义了统计公差,最后通过蒙皮壁板、铰链和车门的仿真试验分别比较了超球和超椭球所定义控制点变化范围,结果表明改进后的公差建模方法控制点变化范围显著增加,从而对零件加工工艺的要求更宽松,间接减少了制造成本。

基于工程环境的气动多目标优化设计平台研究

工程环境中,飞机气动力设计面临在多个目标和多种约束条件下寻找最优值,需在较短时限内完成设计优化,并保证最终方案可靠。基于高性能计算环境,采用现代计算流体力学(CFD)数值模拟技术和优化技术等构建了面向实际工程的飞行器气动多目标优化设计平台:采用基于非均匀有理B样条(NURBS)方法的自由曲面变形技术,实现对工程复杂气动外形的参数化表达;采用网格变形技术,实现优化过程中计算网格的自动更新;采用基于有限体积方法和多块结构网格的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程并行解算器进行气动力求解;采用基于精英保留策略的非支配排序的多目标遗传算法(NSGA-II)进行多目标全局优化求解;采用非线性单纯形算法进行局部优化求解,优化过程中,通过人工调整优化种群,引入人工经验,构建"人在回路"的设计流程。以某翼型/机翼气动力优化设计为例对该平台技术进行验证:多目标优化设计可得到清晰的Pareto前沿解分布;优化后的翼型/机翼在满足各项约束的前提下,具备更高的综合气动性能。结果表明:所发展的气动多目标优化设计平台具有很好的工程适用性。