CN108765565A - 一种fod损伤的三维实体建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FOD损伤的三维实体建模方法,包括以下步骤:通过扫描试件的真实FOD损伤,获取FOD损伤表面及附近区域的点云数据;从点云数据中取点,获取FOD损伤表面及附近区域的大量点的绝对坐标值;对点的坐标值开展拟合优化,构建FOD损伤表面的三维轮廓云图;基于拟合优化的点集坐标数据,构建样条曲线,并以此为基础拟合FOD损伤的轮廓表面;对所构建的FOD损伤表面开展缝合处理,构建FOD损伤的三维实体模型。本发明基于结构光扫描的FOD轮廓表面数据,通过开展数据处理和拟合优化,构建FOD损伤表面的三维轮廓形貌和尺寸云图,并以此进一步构建与真实FOD形状相近的实体模型。
Description
技术领域
本发明属于FOD缺口研究技术领域,特别涉及一种能够准确表征FOD损伤三维轮廓特征的实体建模方法。
背景技术
航空发动机在服役过程中,因工作环境的限制,不可避免会将空气中的一些硬物(如砂石、金属碎屑等)吸入发动机内,从而对发动机内部的部件造成一定冲击,产生材料损伤,这种冲击损伤则被称之为外物损伤(Foreign Object Damage,以下简称FOD)。
由于航空发动机的FOD事件无法完全避免或预防,因此发动机的风扇/压气机叶片在设计过程中,需要确保风扇/压气机叶片具有在FOD发生后依旧正常工作的能力,即抗FOD能力。并且,由于FOD事件发生频繁,风扇/压气机叶片常常需要进行维修、更换,否则将有可能导致重大的飞行事故,但这也相对地提高了发动机的维护成本。因此,为了能够保证叶片的抗FOD能力,降低发动机的维修成本,需针对FOD损伤开展大量相关方面的研究和分析,从而深入地认识和把握FOD损伤对发动机工作状态的影响机理,而研究分析FOD损伤的重要基础之一是建立准确的FOD损伤实体模型。
但由于在冲击过程中,冲击硬物的形状不规则,冲击位置随机,从而致使FOD损伤的形状复杂多样,难以用简单的几何来表征,即使在实验室中,用形状规则的球体来获取FOD的模拟损伤,其损伤表面轮廓依旧参差不齐。并且,由于三维特性的原因,FOD损伤在形貌的描述和测量方面存在着相当大的困难及问题。在光学显微镜下,仅能观测FOD损伤表面的大致轮廓和形状,无法精确观测其损伤底部的形貌,从而致使测量结果较为单一、粗略,不利于后续FOD模型的建立和分析,也不满足实际的工程需求。
目前,现有技术中尚无能够准确构建FOD损伤的实体建模方法。
发明内容
本发明针对FOD损伤形貌观测困难的问题,本发明的目的是提出一种FOD损伤的三维实体建模方法,依据本发明所建的实体模型能够准确地表征FOD损伤的几何轮廓和形貌特征。
一种FOD损伤的三维实体建模方法,包括以下步骤:
(1)通过扫描试件的真实FOD损伤,获取FOD损伤表面及附近区域的点云数据;
(2)从步骤(1)得到的点云数据中取点,获取FOD损伤表面及附近区域的大量点的绝对坐标值;
(3)对步骤(2)所得到的点的坐标值开展拟合优化,构建FOD损伤表面的三维轮廓云图;
(4)基于拟合优化的点集坐标数据,构建样条曲线,并以此为基础拟合FOD损伤的轮廓表面;
(5)对所构建的FOD损伤表面开展缝合处理,构建FOD损伤的三维实体模型。
所述步骤(1)中,通过结构光扫描仪对FOD损伤表面及附近的区域开展单幅扫描,扫描精度为0.01mm。
所述步骤(2)中,在步骤(1)得到的点云数据上取点,所取点的间隔为0.05mm。
所述步骤(3)中,对步骤(2)中所取得的各点的坐标数据进行处理,使得整体坐标的最小值为零,以便模型的构建和观测。
所述步骤(3)中,对步骤(2)中所取得的各点,利用插值拟合的优化方式,平滑各点之间的连接。
所述步骤(3)中,基于拟合优化后的点集坐标数据,通过三维制图软件来构建FOD损伤轮廓的三维形貌云图。
所述步骤(4)中,拟合优化的坐标数据所构建的样条曲线的阶数取2或3,分段数取50。
所述步骤(5)中,以损伤表面的边缘轮廓为基准,开展曲面缝合构建实体,缝合公差为0.001mm。
有益效果:本发明创建了一种FOD损伤三维实体的建模方法,能够准确地表征真实FOD损伤的几何轮廓和形貌特征,为后续FOD的相关研究提供了重要的基础。与现有技术相比,具有以下优点:
(1)建立了直观的FOD损伤的三维形貌尺寸云图;
(2)建立了能准确表征真实FOD损伤形貌特征的三维实体模型,为后续相关的研究计算提供了基础。
附图说明
图1是实施例中的TC4前缘模拟损伤试件实物图;
图2是实施例中的结构光扫描封装结果图;
图3是实施例中的FOD损伤表面的取点示意图;
图4是实施例中的FOD缺口型损伤的三维形貌云图;
图5是实施例中的FOD损伤缺口a的表面轮廓对比图;
图6是实施例中的FOD损伤缺口b的表面轮廓对比图;
图7是实施例中的FOD损伤形貌的样条曲线;
图8是实施例中的FOD损伤形貌的拟合轮廓表面;
图9是实施例中的FOD损伤试件的实体模型。
具体实施方式
下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例
本实施例以一根带有前缘特征的TC4钛合金FOD损伤试件为例,如图1,试件两侧各存在着一个FOD缺口型损伤,分别记为缺口a,缺口b,均是在实验室中由直径3mm的钢珠冲击产生。
FOD损伤的三维实体建模方法包括以下步骤:
(1)通过扫描上述试件真实的FOD损伤,获取损伤表面及附近区域的点云数据。
通过结构光扫描仪,对FOD缺口型损伤表面及附近的区域开展单幅扫描,扫描精度约为0.01mm,并将扫描所获点云进行封装处理,导出STL文件,扫描后的封装结果如图2所示。
(2)从步骤(1)得到的点云数据中取点,获取FOD损伤表面及附近区域的大量点的绝对坐标值。
由于对STL文件的处理手段有限,倘若在其基础上,直接构建FOD损伤试件的实体模型,很难对FOD损伤表面及附近的区域进行加密处理,从而导致无法准确地表征FOD损伤的形貌特征,因此通过取点拟合的方式,重新构建FOD损伤的表面轮廓。
如图3所示,在FOD损伤表面及其附近区域进行取点,各点的间隔取0.05mm,间隔的选取既保证了精度的要求,又考虑了实体建模的效率。
(3)对采集点的坐标值开展拟合优化,构建FOD损伤表面的三维轮廓云图。
选用MATLAB程序来实现点集处理和形貌图的构建,通过MATLAB自编程序,依据点集各轴坐标的最小值分别对各点的坐标进行处理,使得整体坐标的最小值点为原点,便于后续模型的构建和观测。之后,以插值拟合的优化方式,平滑各坐标点之间的连接,构建FOD缺口型损伤(缺口a,缺口b)的三维尺寸云图,如图4所示。
将所构建的FOD损伤三维云图与光学显微镜下的实物拍摄照片进行对比,如图5、6所示,从两者之间的对比可以明显看出,所构建的FOD三维形貌与真实FOD损伤的轮廓基本一致,说明拟合后的坐标数据能够准确表征FOD损伤的形貌特征。
(4)基于拟合优化的点集坐标数据,构建样条曲线,并以此为基础拟合FOD损伤的轮廓表面。
依据拟合优化后的点集坐标数,构建多个样条曲线,曲线阶数取2,分段数取50,如图7所示。以所构建的多个样条曲线为基础,拟合曲面,即FOD损伤的轮廓表面,如图8所示。
(5)对所构建的FOD损伤表面开展缝合处理,构建FOD损伤的三维实体模型。
以拟合曲面的边缘轮廓为基础,构建片体并开展缝合处理,缝合公差定为0.001mm。通过拉伸、修剪等操作,构建FOD损伤试件的三维实体模型,如图9所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)通过扫描试件的真实FOD损伤,获取FOD损伤表面及附近区域的点云数据;
(2)从步骤(1)得到的点云数据中取点,获取FOD损伤表面及附近区域的大量点的绝对坐标值;
(3)对步骤(2)所得到的点的坐标值开展拟合优化,构建FOD损伤表面的三维轮廓云图;
(4)基于拟合优化的点集坐标数据,构建样条曲线,并以此为基础拟合FOD损伤的轮廓表面;
(5)对所构建的FOD损伤表面开展缝合处理,构建FOD损伤的三维实体模型。
2.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(1)中,通过结构光扫描仪对FOD损伤表面及附近的区域开展单幅扫描,扫描精度为0.01mm。
3.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(2)中,在步骤(1)得到的点云数据上取点,所取点的间隔为0.05mm。
4.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(3)中,对步骤(2)中所取得的各点的坐标数据,依据各轴坐标的最小值,对整体坐标数据进行处理,使得最小坐标值点为原点,以便后续整体模型的构建和观测。
5.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(3)中,对步骤(2)中所取得的各点,利用插值拟合的优化方式,平滑各点之间的连接。
6.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(3)中,基于拟合优化后的点集坐标数据,通过三维制图软件来构建FOD损伤轮廓的三维形貌云图。
7.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(4)中,拟合优化的坐标数据所构建的样条曲线的阶数取2或3,分段数取50。
8.根据权利要求1所述的FOD损伤的三维实体建模方法,其特征在于:所述步骤(5)中,以损伤表面的边缘轮廓为基准,开展曲面缝合构建实体,缝合公差为0.001mm。
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