CN102722622A - 一种飞机机舱建模方法 - Google Patents

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张沛
孟曼利
边新莉
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Abstract

本发明属于航空技术，尤其涉及一种飞机机舱建模方法。本发明飞机机舱建模方法先将具有复杂形状的机舱内壁表面转换为点云，并进行有序排列，实现三角化，同时对建模空间进行结构化网格划分，通过设定机舱结构厚度，将三角形拉伸为三角棱柱，并通过调节网格尺寸和机舱机构厚度，将所有与三角形棱柱相交的网格进行标定，将标定后的一个个正六面体单元合并成较少的矩形块，并通过矩形块对机舱结构进行逼近，实现对飞机机舱的建模。本发明不受飞机结构尺寸大小和形状的限制，能够对任意曲面，特别是一些复杂的非等截面曲面进行自动建模，解决了FDS因前处理问题无法应用于航空领域的难题。

Description

一种飞机机舱建模方法
技术领域
本发明属于航空技术，尤其涉及一种飞机机舱建模方法。
背景技术
运输类飞机驾驶舱及货舱内一般都设置有烟雾探测系统，目前国内飞机烟雾探测系统设计主要依赖工程经验和参考国外机型，在利用仿真工具进行系统布局优化设计方面还处于空白状态。FDS(Fire Dynamics Simulator)是目前公认优秀的烟气模拟工具，其效率是在于它对数字网格的简化，它仅仅对于矩形几何体的确定比较方便，目前主要应用在规则形面的场景中。但是飞机外形和内部结构中有大量的非规则形面，非规则形面建模问题是目前制约FDS应用在航空领域的主要难题。
在FDS曲面建模方面目前已经有一些尝试：上海交通大学的邵钢等人提出了一种用矩形方块来拟合圆弧墙或斜线墙的算法，能够较好地解决等截面隧道的建模问题；PyroSim是一款FDS前处理软件，能够实现可视化建模，可以通过矩形块的复制平移操作来近似复杂曲面墙壁；ARX-FDS软件能够解决AutoCAD环境下的曲面建模问题。前两种方法能够较好的解决等截面的曲面建模问题，但是对于飞机上一些曲率变化较大的非规则形面（如机头、后机身等区域）建模则无法顺利完成；第三种方法因为CATIA与AutoCAD软件格式不兼容的问题，也无法较好的用于航空领域。目前，没有相关公开的文献或资料能够有效解决飞机机舱内的非等截面的曲面自动建模问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种在FDS环境下，能够快速实现对复杂形状的机舱结构进行建模的方法。
本发明的技术解决方案：一种飞机机舱建模方法，其包括如下步骤：
步骤a：从机舱数模上提取出没有厚度的曲面；
步骤b：对步骤a提取出的曲面进行修补和合并整理，去除曲面中的杂乱线条，将较小的曲面块合并成大曲面块；
步骤c：按照0.01～0.1m的最小间隔距离将曲面转化为点云；
步骤d：将点云进行有序化排列，实现对点云的三角化；
步骤e：根据机舱壁厚设定一个拉伸厚度，将三角形沿着同一矢量方向进行拉伸，得到一个个三角形棱柱；
并对不规则曲面所在的空间进行结构化网格划分；
步骤f：判断是否所有的三角形棱柱都与两个或两个以上的网格相交；
如果不相交，则增大三角形拉伸厚度或减小网格尺寸，以使得所有三角形棱柱均与两个或两个以上的网格相交；
步骤g：根据网格的尺寸和位置，将所有与三角形棱柱相交的网格进行标定，
具体做法为：判断每个网格是否与多边形棱柱相交，并对相交结果进行标定；
步骤h：将标定后的一个个相邻的正六面体网格单元合并成更大的矩形块；
步骤i：将所有矩形块的顶点坐标导入流场仿真工具，完成机舱建模。
步骤i中流场仿真工具为FDS软件，实际操作时，将所有矩形块的顶点坐标转化为FDS OBST命令行，将OBST命令行写成*.fds格式的文件，并导入FDS，拟合成形得到机舱模型。
本发明的优点和有益效果：本发明提供了一种能够应用于任意飞机机舱结构的自动建模方法，该方法不受飞机结构尺寸大小和形状的限制，能够对任意曲面，特别是一些复杂的非等截面曲面进行自动建模；解决了FDS因前处理问题无法应用于航空领域的难题。在具体实施中，上述步骤能够通过编程自动实现，仅需要人工输入网格尺寸、拉伸方向、拉伸厚度等几个参数，就可以快速实现曲面自动建模，并导入FDS进行计算。
附图说明
图1是本发明飞机机舱建模的流程图；
图2是曲面转化为点云示意图；
图3是三角形拉伸成棱柱示意图；
图4是网格标定示意图；
图5正六面体单元合并示意图,
其中，1-转化为点云前的曲面、2-曲面转化成的点云、3-三角形拉伸得到的三角形棱柱、4-标定前的网格、5-标定后的网格、6-合并前的正六面体网格单元、7-合并后的矩形块。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明：
本发明飞机机舱建模方法先将具有复杂形状的机舱内壁表面转换为点云，并进行有序排列，实现三角化，同时对建模空间进行结构化网格划分，通过设定机舱结构厚度，将三角形拉伸为三角棱柱，并通过调节网格尺寸和机舱机构厚度，将所有与三角形棱柱相交的网格进行标定，将标定后的一个个正六面体单元合并成较少的矩形块，并通过矩形块对机舱结构进行逼近，实现对飞机机舱的建模。
实施例：
对某型飞机机头部分进行自动建模，该型飞机的机头部分包含较多不规则曲面，飞机设计时采用CATIA（一种三维建模CAD软件）进行建模，对该型飞机机头部分建立适合于FDS计算的模型，采用Visual C++.NET 2005（一种程序开发工具）编程自动实现建模过程，具体步骤如下：
步骤a：在CATIA的Generative Sheet Design模块中，用Extract命令从飞机机头三维数模上提取出没有厚度的曲面。
步骤b：在CATIA中，对步骤a提取出的曲面进行修补和合并整理，去除曲面中的杂乱线条，将小曲面块合并成一个完整的大曲面。
步骤c：进入CATIA的STL Rapid Prototyping模块，用tessellation命令将形面转化成点云，取STEP值为0.05m。
步骤d：在CATIA中，将点云保存成STL（Stereo Lithography）格式。
步骤e：用程序自动读取STL文件中的所有三角形，设置将所有三角形沿飞机航向拉伸，拉伸厚度为0.1m，得到大量三角形棱柱。
步骤f：用程序对建模区域进行结构化网格划分，网格尺寸为0.05m。
步骤g：经程序判断，所有三角形棱柱都至少与两个网格相交。
步骤h：用程序判断每个网格是否与多边形棱柱相交，并对相交结果进行标定，相交的网格标记为1，不相交的网格标记为0。
步骤i：用程序控制将标定后的正六面体网格单元合并成较少的矩形块。
步骤j：用程序自动读取所有矩形块的坐标，并导入流场仿真工具，本实施例中，该流场仿真工具为FDS软件，当然根据实际需要可以为CFAST和PHOENICS等，实际操作时，将所有矩形块的顶点坐标（8个顶点）转化为大量的FDS OBST命令行，用程序控制将OBST命令行保存成*.fds格式的文件，并导入FDS，由FDS软件直接生成机舱结构模型，完成建模工作。

Claims (2)

1.一种飞机机舱建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：从机舱数模上提取出没有厚度的曲面；
步骤b：对步骤a提取出的曲面进行修补和合并整理，去除曲面中的杂乱线条，将较小的曲面块合并成大曲面块；
步骤c：按照0.01～0.1m的最小间隔距离将曲面转化为点云；
步骤d：将点云进行有序化排列，实现对点云的三角化；
步骤e：根据机舱壁厚设定一个拉伸厚度，将三角形沿着同一矢量方向进行拉伸，得到一个个三角形棱柱；
并对不规则曲面所在的空间进行结构化网格划分；
步骤f：判断是否所有的三角形棱柱都与两个或两个以上的网格相交；
如果不相交，则增大三角形拉伸厚度或减小网格尺寸，以使得所有三角形棱柱均与两个或两个以上的网格相交；
步骤g：根据网格的尺寸和位置，将所有与三角形棱柱相交的网格进行标定，
具体做法为：判断每个网格是否与多边形棱柱相交，并对相交结果进行标定；
步骤h：将标定后的一个个相邻的正六面体网格单元合并成更大的矩形块；
步骤i：将所有矩形块的顶点坐标导入流场仿真工具，完成机舱建模。
2.根据权利要求1飞机机舱建模方法，其特征在于，步骤i中流场仿真工具为FDS软件，实际操作时，将所有矩形块的顶点坐标转化为FDS OBST命令行，将OBST命令行写成*.fds格式的文件，并导入FDS，拟合成形得到机舱模型。
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