CN110889233A - 结冰风洞试验冰形三维实体生成方法及三维实物冰 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结冰风洞试验领域，旨在解决风洞三维冰模型设计复杂、加工难度大的问题，提供结冰风洞试验冰形三维实体生成方法及三维实物冰。结冰风洞试验冰形三维实体生成方法包括以下步骤：选取冻结在试验件表面的实物冰，在指定截面中对试验件空气动力学特性影响最大的一条二维曲线；确定拉伸边界截面；计算选取的二维曲线的特征参数在拉伸边界截面位置的缩放比例；在拉伸边界截面位置依据上述缩放比例绘制新曲线；以选定二维曲线、拉伸边界截面位置的新曲线为基础，拉伸绘制三维实体；用试验件理论外形曲面对上述三维实体进行切割，得到最终模拟冰三维实体。本发明有益效果是简化了三维冰模型，且应用制造的实体冰模型开展试验对结果影响较小。

Description

结冰风洞试验冰形三维实体生成方法及三维实物冰
技术领域
本发明涉及结冰风洞试验领域，具体而言，涉及结冰风洞试验冰形三维实体生成方法及三维实物冰。
背景技术
试验件在结冰风洞开展结冰试验后，其表面冻结的实物冰外形复杂，且难以整体与试验件分离。为快速制作冰模型，以便贴在试验件表面进行后续空气动力学研究，通常会在试验件结冰区域选定多个截面，并获得每一个截面位置的实物冰二维轮廓曲线，然后在三维设计软件中以上述二维曲线为基础，近似还原出实物冰的三维外形。
然而，通过该方法获得的三维实物冰存在设计数据多难度大，且形成的三维实物冰由于外形复杂、细节多等导致加工困难。
发明内容
本发明旨在提供一种结冰风洞试验冰形三维实体生成方法及三维实物冰，以解决现有的风洞三维冰设计复杂、加工难度大的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
一种结冰风洞试验冰形三维实体生成方法，其包括以下步骤：
a)选取冻结在试验件表面的实物冰在选定的截面一位置的二维轮廓曲线一；所述截面一和试验件的相交曲线为曲线二；
b)在截面一的两侧分别确定一个拉伸边界截面二；两个截面二和试验件的交线均记为曲线三；截面一和试验件的前缘线的交点记为点A，两个截面二和试验件的前缘线的交点均记为点B；
c)找出曲线一上的上冰角点、上极限点和下极限点；其中曲线一上的上冰角点为曲线一上到曲线二试验件上翼面方向距离最大的点，记为点D；曲线一上的上极限点和下极限点分别为曲线一和曲线二的上下两个交点，上极限点记为点E，下极限点记为点F；过点D做曲线二的法线段DG与曲线二相交于点G；
d)将线段DG从点A沿试验件的前缘线分别平移至两个截面二上的点B处得到新线段DBGB；
e)以点B为圆心，以线段AE的长度为半径作圆，和曲线三的上部相交于点H；以点B为圆心，以线段AF的长度为半径作圆，和曲线三的下部相交于点J；做过点H、点DB和点J的样条曲线四；
f)以曲线一和两侧的曲线四为基准，拉伸绘制三维实体；
g)用试验件的外形曲面切割上述三维实体得到所需冰形三维实体的三维模型。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
该方法保留了实物冰二维冰形曲线特征参数的相似性；
该方法简化了拉伸边界截面位置冰的二维曲线；
实用性较强，该方法可快速将复杂的实物冰二维曲线近似还原成三维实体，且对应用依此方法制作的模拟冰开展的后续空气动力学试验结果影响较小。
在一种实施方式中：
所述曲线一的获取方法为：对试验件进行多次结冰试验，得到多个试验冰形；获得多个试验冰形在试验件同一截面处的二维曲线，然后选取获得的多个二维曲线中对试验件空气动力学特性影响最大的一条二维曲线作为曲线一。
在一种实施方式中：
步骤d)替换为步骤d1)：将线段DG从点A沿试验件的前缘线分别平移至两个截面二上的点B处，并以点B为参考点进行缩放，缩放比例为K1，得到新线段DBGB。
在一种实施方式中：
步骤e)替换为步骤e1)：对线段AE和线段AF进行缩放，缩放比例为K2和K3,；以点B为圆心，以线段AE缩放后的长度为半径作圆，和曲线三的上部相交于点H；以点B为圆心，以线段AF缩放后的长度为半径作圆，和曲线三的下部相交于点J；做过点H、点DB和点J的样条曲线四。
前述缩放比例K1的确定方法可以为：以N-S方程为基本公式，应用CFD的方法，模拟出可能结出的冰(或称为计算冰)；上述计算冰与截面二相交的曲线称为二维计算结冰曲线，从该曲线中提取出上冰角点，该上冰角点到试验件和对应截面交线的距离与风洞试验所结的实物冰二维曲线一中对应的线段DG的长度的比值即作为缩放比例K1；
相似地，前述缩放比例K2和K3的确定方法可以为：以N-S方程为基本公式，应用CFD的方法，模拟出可能结出的冰(或称为计算冰)；上述计算冰与截面二相交的曲线称为二维计算结冰曲线，从该曲线中提取出上/下极限点，该上/下极限点到试验件前缘线和对应截面的交点的距离与风洞试验所结的实物冰二维曲线一中对应的线段AE/AF的长度的比值即作为缩放比例K2和K3。
本发明实施例还提供一种三维实物冰，由前述的结冰风洞试验冰形三维实体生成方法生成三维冰模型，根据该三维冰模型制作三维实物冰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1中示出了试验件上截面一、截面二及截面一上的曲线一的确定；
图2中示出了截面一和试验件的交线曲线二，截面二和试验件的交线曲线三，以及截面一、截面二和试验件前缘线交点；
图3中示出了由曲线一生成曲线四的示意图；
图4中示出了试验件上的曲线一和两个曲线四；
图5示出了拉伸绘制三维实体的示意图；
图6中示出了切割绘制最终的三维实体示意图。
图标：P1-截面一；P2-截面二；L1-曲线一；L2-曲线二；L3-曲线三；L4-曲线四；S1-前缘线；10-试验件；20-三维实体；30-三维模型。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
参见图1-图6，本实施例提供一种结冰风洞试验冰形三维实体生成方法，其包括以下步骤：
a)选取冻结在试验件10表面的实物冰在选定的截面一P1位置的二维轮廓曲线一L1；试验件10可以为机翼、尾翼或其他飞机易结冰部件，本实施例以机翼为例。截面一P1和试验件10的相交曲线为曲线二L2；
b)在截面一P1的两侧分别确定一个拉伸边界截面二P2；两个截面二P2和试验件的交线均记为曲线三L3；截面一P1和试验件的前缘线S1的交点记为点A，两个截面二P2和试验件的前缘线S1的交点均记为点B；
c)找出曲线一L1上的上冰角点、上极限点和下极限点；其中曲线一L1上的上冰角点为曲线一L1上到曲线二L2试验件上翼面方向距离最大的点，记为点D；曲线一L1上的上极限点和下极限点分别为曲线一L1和曲线二L2的上下两个交点，上极限点记为点E，下极限点记为点F；过点D做曲线二L2的法线段DG与曲线二L2相交于点G，即线段DG垂直于曲线二L2在点G处的切线；
d)将线段DG从点A沿机翼的前缘线S1分别平移至两个截面二P2上的点B处得到新线段DBGB；
e)以点B为圆心，以线段AE的长度为半径作圆，和曲线三L3的上部相交于点H；以点B为圆心，以线段AF的长度为半径作圆，和曲线三L3的下部相交于点J；做过点H、点DB和点J的样条曲线四L4；
f)以曲线一L1和两侧的曲线四L4为基准，拉伸绘制三维实体20；
g)用试验件10的外形曲面切割上述三维实体20得到所需冰形的三维模型30。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
该方法保留了实物冰二维冰形曲线特征参数的相似性；
该方法简化了拉伸边界截面位置冰的二维曲线；
实用性较强，该方法可快速将复杂的实物冰二维曲线近似还原成三维实体，且对应用依此方法制作的模拟冰开展的后续空气动力学试验结果影响较小。
本实施例中，曲线一L1的获取方法为：对试验件10进行多次结冰试验，得到多个试验冰形；获得多个试验冰形在试验件10同一截面处的二维曲线，然后选取获得的多个二维曲线中对试验件空气动力学特性影响最大的一条二维曲线作为曲线一L1。
在其他实施方式中，可将前述步骤d)替换为步骤d1)：将线段DG从点A沿机翼的前缘线S1分别平移至两个截面二P2上的点B处，并以点B为参考点进行缩放，缩放比例为K1，得到新线段DBGB。缩放比例K1还可以结合试验件形状的其他参数获取，在此不赘述。
在其他实施方式中，还可将前述步骤e)替换为步骤e1)：对线段AE和线段AF进行缩放，缩放比例为K2和K3,；以点B为圆心，以线段AE缩放后的长度为半径作圆，和曲线三L3的上部相交于点H；以点B为圆心，以线段AF缩放后的长度为半径作圆，和曲线三L3的下部相交于点J；做过点H、点DB和点J的样条曲线四L4。
前述缩放比例K1的确定方法可以为：以N-S方程为基本公式，应用CFD的方法，模拟出可能结出的冰(或称为计算冰)；上述计算冰与截面二相交的曲线称为二维计算结冰曲线，从该曲线中提取出上冰角点，该上冰角点到试验件和对应截面交线的距离与风洞试验所结的实物冰二维曲线一中对应的线段DG的长度的比值即作为缩放比例K1；
相似地，前述缩放比例K2和K3的确定方法可以为：以N-S方程为基本公式，应用CFD的方法，模拟出可能结出的冰(或称为计算冰)；上述计算冰与截面二相交的曲线称为二维计算结冰曲线，从该曲线中提取出上/下极限点，该上/下极限点到试验件前缘线和对应截面的交点的距离与风洞试验所结的实物冰二维曲线一中对应的线段AE/AF的长度的比值即作为缩放比例K2和K3。
本发明实施例还提供一种三维实物冰，由前述的结冰风洞试验冰形三维实体生成方法生成实物冰的三维模型30，根据该三维模型制作三维实物冰。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结冰风洞试验冰形三维实体生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)选取冻结在试验件表面的实物冰在选定的截面一位置的二维轮廓曲线一；所述截面一和试验件的相交曲线为曲线二；
b)在截面一的两侧分别确定一个拉伸边界截面二；两个截面二和试验件的交线均记为曲线三；截面一和试验件的前缘线的交点记为点A，两个截面二和试验件的前缘线的交点均记为点B；
c)找出曲线一上的上冰角点、上极限点和下极限点；其中曲线一上的上冰角点为曲线一上到曲线二试验件上翼面方向距离最大的点，记为点D；曲线一上的上极限点和下极限点分别为曲线一和曲线二的上下两个交点，上极限点记为点E，下极限点记为点F；过点D做曲线二的法线段DG与曲线二相交于点G；
d)将线段DG从点A沿试验件的前缘线分别平移至两个截面二上的点B处得到新线段DBGB；
e)以点B为圆心，以线段AE的长度为半径作圆，和曲线三的上部相交于点H；以点B为圆心，以线段AF的长度为半径作圆，和曲线三的下部相交于点J；做过点H、点DB和点J的样条曲线四；
f)以曲线一和两侧的曲线四为基准，拉伸绘制三维实体；
g)用试验件的外形曲面切割上述三维实体得到所需冰形三维实体的三维模型。
2.根据权利要求1所述的结冰风洞试验冰形三维实体生成方法，其特征在于：
所述曲线一的获取方法为：对试验件进行多次结冰试验，得到多个试验冰形；获得多个试验冰形在试验件同一截面处的二维曲线，然后选取获得的多个二维曲线中对试验件空气动力学特性影响最大的一条二维曲线作为曲线一。
3.根据权利要求1所述的结冰风洞试验冰形三维实体生成方法，其特征在于：
步骤d)替换为步骤d1)：将线段DG从点A沿试验件的前缘线分别平移至两个截面二上的点B处，并以点B为参考点进行缩放，缩放比例为K1，得到新线段DBGB。
4.根据权利要求1所述的结冰风洞试验冰形三维实体生成方法，其特征在于：
步骤e)替换为步骤e1)：对线段AE和线段AF进行缩放，缩放比例为K2和K3,；以点B为圆心，以线段AE缩放后的长度为半径作圆，和曲线三的上部相交于点H；以点B为圆心，以线段AF缩放后的长度为半径作圆，和曲线三的下部相交于点J；作过点H、点DB和点J的样条曲线四。
5.一种三维实物冰，其特征在于：
由权利要求1-4任一项所述的结冰风洞试验冰形三维实体生成方法生成三维冰模型，根据该三维冰模型制作三维实物冰。
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