CN103020351A - 一种飞机位姿的三维实时显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空强度试验技术领域，特别是涉及一种飞机位姿的三维实时显示方法，包括准备能够反映飞机外形特征的网格/节点模型文件的步骤，将模型和位移测量点按结构特点和部位分组的步骤，通过测量采集设备获取当前加载步的测量值的步骤，计算出各部件节点的位移值的步骤，将各个大组的位移值组合起来得到整个飞机的位移场的步骤，得到当前加载步下飞机位姿的三维显示效果的步骤。本发明能够实现对飞机位姿也就是位移场的三维显示；其次，由于本方法采用的插值算法不需要通过结构有限元模型的迭代计算即可获得插值结果，相比之下，插值计算的效率大大提高，因此能够对试验过程中每一加载步的试验结果进行三维实时显示。
Description
技术领域
本发明属于航空强度试验技术领域，特别是涉及到一种飞机位姿的三维实时显示方法。
背景技术
对于试验产生的测量数据都要通过可视化手段进行分析，由于采集通道的限制，采集到的试验数据通常无法反应结构的拓扑形状，一般通过绘制各个通道采集数据的二维曲线图来显示试验结果。二维曲线的显示步骤包括：通过测量采集设备获取测量值及该测量值的相关量，如时间或加载步；将获取的测量值和相关量存储并管理起来；将测量值作为Y值，测量相关量作为X值，在XY平面内绘制测量值-相关量的二维曲线。
也有以有限的测量点数据为标准，通过数据映射或插值获得有限元模型上其他点值，再通过三维可视化来显示试验结果。三维可视化的显示步骤为：在试验前，先进行有限元预估计算，得到一轮预估计算结果；通过测量采集设备获取某一时间或加载步的测量值；将试验测量数据与预估计算结果进行比较，根据经验修改有限元模型中的一些参数，再进行计算；对第三步进行迭代，直至误差在10%以内，认为满足工程设计要求；对迭代计算得到的结果进行三维可视化处理，并认为这一结果的显示就是试验结果的三维显示。
现有的两种方法均存在一定的问题和缺点：
二维曲线图的显示方式不够形象直观，只能反映单个通道测量数据的随时间或加载步的变化，不能给出试验情况的一个整体印象；
三维温度场的显示必须基于有限元模型的计算修正，迭代计算量大，只能对试验过程中的某一步或最后一步试验结果进行显示；
虽然目前能够实现温度测量数据的三维显示，由于迭代计算耗时长，无法做到试验过程中的实时显示；
目前只实现了对温度测量数据的三维显示，还没有实现对位移测量数据的三维显示，而针对飞机位姿的三维实时显示方法的研究目前还是一个空白。
发明内容
发明目的：提供一种飞机位姿的三维实时显示方法，能够对试验中的飞机姿态进行实时的三维显示。
技术方案：一种飞机位姿的三维实时显示方法，包括以下步骤：
步骤一、准备能够反映飞机外形特征的网格/节点模型文件：采用NASTRAN的BDF格式中的GRID和CTRIA3卡片的全机有限元模型生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件；
步骤二、将模型和位移测量点按结构特点和部位分组：
对模型进行分组：根据飞机结构的特点将全机结构分解为相对简单的部件，包括左机翼、右机翼、左平尾、右平尾以及机身和垂尾；
对位移测量点进行分组：按照模型的分组情况，对全机布置的位移测量点分成对应的大组，同时根据位移测量点的具体布置位置，按照基准线将大组分为若干小组；
步骤三、通过测量采集设备获取当前加载步的测量值：通过测量采集设备读取各个位移测量点的位移值，作为位移场差值计算的离散点数据；
步骤四、将获取的测量值和当前加载步信息存储起来；
步骤五、按步骤二所得大组使用当前加载步的位移测量值对各大组进行插值，计算出各部件节点的位移值：对左右机翼和左右平尾结构进行面插值，对机身和垂尾结构进行线性插值；
步骤六、将各个大组的位移值组合起来得到整个飞机的位移场；
步骤七、使用OpenGL对得到的位移场进行三维可视化处理，得到当前加载步下飞机位姿的三维显示效果；
步骤八、对下一个加载步重复步骤三至步骤七，直至试验结束。
优选地，步骤一还可以使用三角面片文件中的节点坐标和三角面片生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件。
步骤五中对左右机翼和左右平尾结构进行面插值具体为：忽略位移在Z方向的变化，以前后梁的测量点作为基准线，将位移的分布近似看做直纹面，在X-Y平面内对部件节点位移进行面插值；对机身和垂尾结构进行线性插值具体为：将机身和垂尾结构视作一根梁，忽略位移在Y-Z平面上的变化，在X轴上对部件节点位移进行线性插值。
有益效果：本发明提出的飞机位姿的三维实时显示方法，相比现有的二维曲线图的显示方式更加形象直观，能够使人对试验产生一个整体印象。相比现有的三维温度场显示，首先，本发明能够实现对飞机位姿也就是位移场的三维显示；其次，由于本方法采用的插值算法不需要通过结构有限元模型的迭代计算即可获得插值结果，相比之下，插值计算的效率大大提高，因此能够对试验过程中每一加载步的试验结果进行三维实时显示。
附图说明
图1飞机离散化几何信息模型
图2测量点位置示意
图3飞机结构按部件分组示意
图4机翼及平尾变形
图5飞机位姿
图6飞机位姿的三维实时显示效果
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图6。
一种飞机位姿的三维实时显示方法，包括以下步骤：
步骤一、准备能够反映飞机外形特征的网格/节点模型文件：采用NASTRAN的BDF格式中的GRID和CTRIA3卡片的全机有限元模型生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件；NASTRAN为商业有限元分析软件，BDF格式文件为其常用作业文件，GRID卡片用于描述节点信息，CTRIA3卡片用于描述三角形单元信息。
步骤二、将模型和位移测量点按结构特点和部位分组：
对模型进行分组：根据飞机结构的特点将全机结构分解为相对简单的部件，包括左机翼、右机翼、左平尾、右平尾以及机身和垂尾；
对位移测量点进行分组：按照模型的分组情况，对全机布置的位移测量点分成对应的大组，同时根据位移测量点的具体布置位置，按照基准线将大组分为若干小组；基准线按部件的结构特点有所不同，按照图2给出的试验测量点的分布情况，左右机翼和左右平尾将前梁和后梁作为两条基准线，机身和垂尾将机身的中线作为基准线。
步骤三、通过测量采集设备获取当前加载步的测量值：通过测量采集设备读取各个位移测量点的位移值，作为位移场差值计算的离散点数据；
步骤四、将获取的测量值和当前加载步信息存储起来；
步骤五、按步骤二所得大组使用当前加载步的位移测量值对各大组进行插值，计算出各部件节点的位移值：对左右机翼和左右平尾结构进行面插值，对机身和垂尾结构进行线性插值；
步骤六、将各个大组的位移值组合起来得到整个飞机的位移场；
步骤七、使用OpenGL对得到的位移场进行三维可视化处理，得到当前加载步下飞机位姿的三维显示效果；OpenGL是一个专业的图形程序接口，定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。
步骤八、对下一个加载步重复步骤三至步骤七，直至试验结束。
优选地，步骤一还可以使用三角面片文件中的节点坐标和三角面片生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件。
步骤五中对左右机翼和左右平尾结构进行面插值具体为：忽略位移在Z方向的变化，以前后梁的测量点作为基准线，将位移的分布近似看做直纹面，在X-Y平面内对部件节点位移进行面插值；对机身和垂尾结构进行线性插值具体为：将机身和垂尾结构视作一根梁，忽略位移在Y-Z平面上的变化，将机身中心线作为基准线，在X轴上对部件节点位移进行线性插值。
下面结合附图说明本发明的具体实施例，请参阅图1至图6。
步骤一、准备能够反映飞机外形特征的网格/节点模型文件：采用NASTRAN的BDF格式中的GRID和CTRIA3卡片的全机有限元模型生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件；使用三角面片文件中的节点坐标和三角面片生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件。采用飞机的有限元节点及网格作为插值对象的离散化几何信息模型，该模型包含机翼、尾翼、机身等主要结构。X轴正方向为逆航向，Y轴正方向为展向向左，Z轴正方向竖直向上。模型如图1所示。
步骤二、将模型和位移测量点按结构特点和部位分组:整架飞机的模型结构相对复杂，直接进行位移插值计算难度比较大，不易得到合理的插值结果。位移测量点的分布情况如图2所示。根据飞机结构的特点及位移测量点分布情况将全机结构分解为相对简单的部件，包括左右机翼，左右平尾及机身和垂尾的五个部分如图3所示，再分别对各个部分进行位移插值计算。按照模型的分组情况，对全机布置的位移测量点分成对应的大组，同时根据位移测量点的具体布置位置，按照基准线将大组分为若干小组，以方便插值计算，分组情况如表1所示。
表1位移测量点分组情况
步骤三、通过测量采集设备获取当前加载步的测量值：通过测量采集设备读取各个位移测量点的位移值，作为位移场差值计算的离散点数据；
步骤四、将获取的测量值和当前加载步信息存储起来；
步骤五、按步骤二所得大组使用当前加载步的位移测量值对各大组进行插值，计算出各部件节点的位移值：对左右机翼和左右平尾结构进行面插值，对机身和垂尾结构进行线性插值；对左右机翼和左右平尾结构进行面插值具体为：忽略位移在Z方向的变化，以前后梁的测量点作为基准线，将位移的分布近似看做直纹面，在X-Y平面内对部件节点位移进行面插值；对机身和垂尾结构进行线性插值具体为：将机身和垂尾结构视作一根梁，忽略位移在Y-Z平面上的变化，将机身中心线作为基准线，在X轴上对部件节点位移进行线性插值。经过插值得到的位移场叠加到结构节点上得到右机翼和右平尾结构的变形情况，如图4所示。
步骤六、将各个大组的位移值组合起来得到整个飞机的位移场；
步骤七、使用OpenGL对得到的位移场进行三维可视化处理，得到当前加载步下飞机位姿的三维显示效果；得到当前加载步下飞机的位姿如图5所示。
步骤八、对下一个加载步重复步骤三至步骤七，直至试验结束。本实例的实现效果如图6所示。
Claims (3)
1.一种飞机位姿的三维实时显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、准备能够反映飞机外形特征的网格/节点模型文件：采用NASTRAN的BDF格式中的GRID和CTRIA3卡片的全机有限元模型生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件；
步骤二、将模型和位移测量点按结构特点和部位分组：
对模型进行分组：根据飞机结构的特点将全机结构分解为相对简单的部件，包括左机翼、右机翼、左平尾、右平尾以及机身和垂尾；
对位移测量点进行分组：按照模型的分组情况，对全机布置的位移测量点分成对应的大组，同时根据位移测量点的具体布置位置，按照基准线将大组分为若干小组；
步骤三、通过测量采集设备获取当前加载步的测量值：通过测量采集设备读取各个位移测量点的位移值，作为位移场差值计算的离散点数据；
步骤四、将获取的测量值和当前加载步信息存储起来；
步骤五、按步骤二所得大组使用当前加载步的位移测量值对各大组进行插值，计算出各部件节点的位移值：对左右机翼和左右平尾结构进行面插值，对机身和垂尾结构进行线性插值；
步骤六、将各个大组的位移值组合起来得到整个飞机的位移场；
步骤七、使用OpenGL对得到的位移场进行三维可视化处理，得到当前加载步下飞机位姿的三维显示效果；
步骤八、对下一个加载步重复步骤三至步骤七，直至试验结束。
2.根据权利要求1所述的一种飞机位姿的三维实时显示方法，其特征在于，步骤一还可以使用三角面片文件中的节点坐标和三角面片生成能够反映飞机外形的网格/节点模型文件。
3.根据权利要求1或2所述的一种飞机位姿的三维实时显示方法，其特征在于，步骤五中对左右机翼和左右平尾结构进行面插值具体为：忽略位移在Z方向的变化，以前后梁的测量点作为基准线，将位移的分布近似看做直纹面，在X-Y平面内对部件节点位移进行面插值；对机身和垂尾结构进行线性插值具体为：将机身和垂尾结构视作一根梁，忽略位移在Y-Z平面上的变化，在X轴上对部件节点位移进行线性插值。
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