CN113076602B - 实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法、系统和介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的方案，包括：获取与飞机的一个机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息；构建与所述机身部件相关联的三维结构模型；根据所述冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型。

Description

实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法、系统和介质

技术领域

本公开涉及民用飞行器的计算机辅助设计领域，具体而言，涉及一种用于实现民用复合材料飞行器试验件的冲击损伤三维化的方法、系统和介质。

背景技术

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新型材料，其一般具有强度高、刚度大、质量轻的特点，并且还具有抗疲劳、减震、耐高温、可设计等一系列优点。近几十年来，复合材料在航空航天、能源、交通、建筑、机械、信息、生物、医学和体育等工程和部门内日益得到广泛应用。

损伤是影响复合材料性能的一个重要因素，冲击损伤又是各类损伤的最主要的来源。尤其在航空领域，复合材料被以板、壳等形式被广泛应用于机体的各个部分的结构件中，因此，很容易受到垂直于板面的载荷作用(冲击载荷)。另外，诸如在飞行时的冰雹、飞鸟等物体的撞击等都会对复合材料带来不同成程度的损伤。鉴于航空飞行器的严格安全性要求，在进行民用飞行器的设计时，需要在复合材料结构试验件上模拟冲击损伤来进行试验验证。而在计算机上进行冲击损伤的模拟验证时，如何在试验件上准确表示冲击的位置、冲击方向，冲头类型，冲击能量等参数具有重要的工程意义。

传统的复合材料试验件冲击损伤的信息表示方式为在二维图纸上添加标注。如图1所示，例示了一张民用飞机的机身壁板的二维结构图纸。在其中二维结构图上用图标表示了冲击损伤的两个损伤点，并以3#BVID和4#BVID区分标注出了这两个损伤点。其中，3#是用于标识损伤的编号，BVID表示了损伤的类型，所述图标/>中的圆圈表示损伤的示意位置，当中的十字表示了该损伤的几何中心位置，左右箭头之间295(mm)表示了损伤点与机身框的中轴线的距离。

随着需要将复合材料冲击损伤引入在工程中的应用越来越广泛，工程人员发现上述传统的方法存在诸多弊端，原因如下：

(1)二维视图表示的冲击损伤引入的信息只能表达某一投影方向上的几何信息和技术要求信息，空间位置不易表达。例如如果壁板呈曲面形状，则损伤点与机身框的中轴线的距离就难以用左右箭头之间的间距来表示。

(2)二维图纸中难以判断冲击引入设备和人员的可操作性，如设备和试验件干涉等问题，效率低。

(3)现在大多数的航空飞行器的设计都实现了结构数模三维化，再用二维的损伤引入图纸去表征损伤引入已经变得不匹配。

因此，需要提供一种能够以更加形象化的方式来表示与复合材料试验件冲击损伤有关的信息的方案。

发明内容

本申请提供了一种效率高、交互性好的复合材料的冲击损伤信息三维化实现方法和系统。在其中，通过在CATIA环境下利用一个圆平面数据模型来描述所述复合材料冲击损伤信息，能够以更加直观、形象和精确的三维方式向技术人员呈现所述复合材料的冲击损伤信息。

根据本申请的第一方面，提供了一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法，包括：获取与飞机的一个机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息；构建与所述机身部件相关联的三维结构模型；根据所述冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型。

根据本申请的第二方面，提供了一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的系统，包括：获取模块，被配置为获取与飞机的一个机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息；三维结构模型构建模块，被配置为构建与所述机身部件相关联的三维结构模型；冲击损伤信息模型构建模块，被配置为根据所述冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型。

根据本申请的第三方面，提供了一种存储有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得机器执行如第一方面所述的方法。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图说明

为了描述可获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本发明的具体实施例来呈现以上简要描述的本发明的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本发明的各典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本发明，在附图中：

图1示出了以传统的二维图纸方式表示复合材料试验件的冲击损伤信息的示例图纸。

图2示出了根据本公开的一个实施例的一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法的示意流程图。

图3示出了根据本公开的一个实施例的圆形平面数据模型的示意图。

图4示出了根据本公开的一个实施例的一种实现复合材料的冲击损伤信息三维化的系统的示意结构图。

图5示出了一个示例机身部件的三维结构模型的结构表面和在其上构建的由圆形平面数据模型表示的冲击损伤1001的三维示意图。

具体实施方式

为了解决现有的复合材料试验件冲击损伤的二维信息表示方式中的各种缺陷，本公开提供了一种复合材料冲击损伤信息的三维化的方案。

图2示出了根据本公开的一个实施例的一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法的示意流程图。

如图2所示，在步骤202，获取与飞机的一个机身部件(例如复合材料试验件)的复合材料相关联的冲击损伤信息。

冲击损伤信息是指根据飞机在生产、服役过程中可能遭受的损伤威胁的来源(如工具掉落，冰雹，轮胎碎片，跑道碎石，闪电，apu转子冲击等等)对它们可能引起的损伤进行调查、研究和统计后所确定的对应不同结构位置的冲击损伤类型和冲击能量大小的数据。具体而言，所述冲击损伤信息可以包括冲击损伤编号、冲击能量大小、冲击能量误差要求、冲头尺寸、冲击损伤类型、冲击位置类型、冲击点位置、冲击方向(或角度)、冲击引入工具、冲击点复合材料厚度、冲击点复合材料铺层信息以及其他各种信息。但上述数据仅仅是作为示例示出，所述冲击损伤信息还可以包括更多或更少类型的损伤信息，这些都在本公开的保护范畴中。

这些数据可以通过对飞机各部件的复合材料的历史损伤数据进行统计分析获得，也可以根据计算机模拟仿真来估算出。本公开的重点不在于如何获取和计算冲击损伤，因此，在此不再详细累述相关的内容。技术人员可以通过现有的各种技术手段来获得所述机身部件的冲击损伤信息。

获得的冲击损伤信息随后可以被存储在相应的数据库(例如冲击损伤信息数据库)中以备调用。

在步骤204，构建与所述机身部件相关联的三维结构模型。

现有的各种用于民用飞行器的计算机辅助设计软件已经基本实现了三维模块化设计。例如CATIA软件就可以通过建模来帮助飞机制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。在CATIA软件系统中自带了丰富的建模工具来帮助设计师完成产品的建模。并且，还存储有大量现成的涉及飞机各个部分的三维结构模型。

利用该CATIA软件系统，就能够很方便地调用现有的各种机型的各部分的三维结构模型，而无需重新构建。例如，可以从软件公司的网站下下载对应的模型，或者从飞机制造商的飞机设计模型库(例如飞机制造商提供的飞机CATIA模型库)中下载相应的三维结构模型。

或者，在没有现成的三维结构模型的情况下，设计人员也可以利用该软件中提供的丰富的设计工具来设计出使用复合材料的该机体部件的三维结构模型以供之后使用。

当然，所述CATIA软件仅仅是能够提供机身部件的三维结构模型的各种计算机辅助设计软件之一。还存在许多其他类型的软件的可以被用于创建所述三维结构模型。它们都属于本公开要保护的范围内。

随后，在步骤206，根据从获取步骤202获得的与该机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建出相应的冲击损伤信息三维模型。

所述冲击损伤信息三维模型可以是一个圆形平面数据模型。所述圆形平面数据模型示例具体结构在图3中被示出。如图所示，标记1为虚拟化的冲击损伤信息的圆形平面数据模型，其中特征点1-1为圆模型的特征点，即圆心，它对应于冲击损伤信息中的冲击点位置；虚线1-2为特征点1-1在冲击点与机身部件的结构表面形成的切平面上的法线特征，它对应于冲击损伤信息中的冲击方向(虚线1-2的引入使得所述圆形平面呈现三维化，能够二维表示时无法展示出的冲击方向直观地显示给技术人员)；虚线1-3为圆的半径特征，它对应于冲击头的尺寸半径。

下面就如何构建该复合材料的冲击损伤信息三维模型进行下具体介绍：

a)根据冲击损伤信息中的冲击点位置，在机身部件的所述三维结构模型的结构表面上的相应位置处创建一个圆心，作为特征点1-1。该圆心代表了冲击损伤的目标位置；

b)基于建立的特征点并根据冲击损伤信息中的冲击方向形成一个从圆心出发并垂直于所述冲击点与所述机身部件的所述三维结构模型的结构表面所形成的切平面的法向量线1-2，所述法向量线1-2指示了冲击的方向；

c)根据冲击损伤信息中的冲击头尺寸确定圆的半径值1-3；

d)以所述特征点1-1为圆心且围绕法向量1-2，以半径值1-3为半径扫略一个圆形面，由此，就构建出一个与该机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息三维模型，即圆形平面数据模型；

e)根据冲击损伤信息中的其他信息对所构建的冲击损伤信息三维模型进行信息编制，例如为其添加诸如冲击损伤编号、冲击能量信息、冲击损伤类型、冲击点位置结构信息描述、冲击点复合材料厚度、冲击点复合材料铺层信息之类的相关信息。通过将所述冲击损伤信息与该损伤信息三维模型进行关联绑定，使得可以按照设计人员的需求在所述圆形平面数据模型上同时显示一些与该冲击损伤有关的基本信息，例如编号、损伤类型、冲头尺寸等。而其他冲击损伤信息则可以通过点击该模型或利用软件菜单来显示在例如弹出框中。

利用上述步骤，本公开实现了复合材料冲击损伤信息的三维化表达，让用户能够更加直观地从圆形平面模型的外观就能了解冲击损伤的基本信息(例如冲击点位置、冲击方向和冲击头尺寸)，无需手动操作。而如果用户想要了解关于冲击损伤的更多信息，则可以通过点击该圆形平面模型或例如CATIA软件的相应菜单，从例如冲击损伤信息数据库中调用并显示与其相关联的其他冲击损伤信息。这使得所述虚拟化模型的使用效率更高，交互性更好，从而便利于在试验过程中冲击损伤引入的位置的定位、分析和实施。

在了解了本公开的冲击损伤信息三维化实现方法的示意流程图之后，在图4中进一步示出了根据本公开的一个实施例的一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的系统的示意结构图。

如图所示，所述系统包括获取模块402、三维结构模型构建模块404以及冲击损伤信息模型构建模块406，所述模块之间通过各种有线或无线通信方式((例如线缆、电缆、数据线、蓝牙、蜂窝、局域网、广域网以及互联网等等通信技术))彼此进行通信连接。

具体而言，获取模块402，被配置为获取与飞机的一个机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息。如前所述，所述数据可以通过对飞机各部件的历史损伤数据进行统计分析获得，也可以根据计算机模拟仿真来估算出。在获取所述冲击损伤信息后，将所获得的冲击损伤信息随后可以被存储在相应的数据库(例如冲击损伤信息数据库)中以备调用。

三维结构模型构建模块404，被配置为构建与所述机身部件相关联的三维结构模型。如前所述，诸如CATIA之类的计算机辅助设计软件中自带了丰富的建模工具来帮助设计师完成产品的建模，并且，还存储有大量现成的涉及飞机各个部分的三维结构模型。而且，在各大飞机制造商的网站或技术支持部门处也可以获得所述三维结构模型。因此，所述三维结构模型构建模块404可以通过下载并应用相应的三维建模数据来构建所述机身部件的三维结构模型。

或者，在没有现成的三维结构模型的情况下，所述三维结构模型构建模块404可以利用所述计算机辅助设计软件中提供的丰富的设计工具来实现该机体部件的三维结构模型的构建。

冲击损伤信息模型构建模块406，被配置为根据从获取模块402获得的与该机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息，在所述机身部件的三维结构模型上构建出相应的冲击损伤信息三维模型。

所述冲击损伤信息三维模型可以是一个圆形平面数据模型。所述圆形平面数据模型示例具体结构在图3中被示出。

具体而言，所述冲击损伤信息模型构建模块406执行下述构建流程来构建圆形平面数据模型：

a)根据冲击损伤信息中的冲击点位置，在机身部件的所述三维结构模型的结构表面上的相应位置处创建一个圆心，作为特征点1-1。该圆心代表了冲击损伤的目标位置；

b)基于建立的特征点并根据冲击损伤信息中的冲击方向形成一个从圆心出发并垂直于所述冲击点与所述机身部件的所述三维结构模型的结构表面所形成的切平面的法向量线1-2，所述法向量线1-2指示了冲击的方向；

c)根据冲击损伤信息中的冲击头尺寸确定圆的半径值1-3；

d)以所述特征点1-1为圆心围绕法向量1-2，以半径值1-3为半径扫略一个圆形面，由此，就构建出一个针对该机身部件的复合材料的冲击损伤信息模型，即圆形平面数据模型；

e)根据冲击损伤信息中的其他信息对所构建的圆形平面数据模型进行信息编制，例如，为其添加诸如冲击损伤编号、冲击能量信息、冲击损伤类型、冲击点位置结构信息描述、冲击点复合材料厚度、冲击点复合材料铺层信息之类的相关信息。例如，当技术人员将鼠标移动到所述圆形平面上时，系统可以自动在旁边的弹出框中显示所述信息以帮助技术人员获得更多与冲击损伤相关的信息。

应该理解，上述这些模块可以通过软件编程、固件和硬件等形式或其组合来实现。

最后，在附图5中示出了一个示例机身部件的三维结构模型的结构表面和在其上构建的由圆形平面数据模型表示的冲击损伤1001的三维示意图。由于冲击损伤1001相对于机身部件很微小，因此，还以局部放大图形式在左上角示出了该圆形平面数据模型的示意三维结构。技术人员可以通过点击机身部件的三维结构表面上的图标1001来呈现所述局部放大图。由于是在三维空间中，因此，原本在二维中圆形的圆形平面在三维中看上去就呈椭圆形，并且，以法向量形式示出了冲击的方向。如果技术人员将鼠标移动到该圆形平面上时，就会在鼠标旁的弹出框中显示出该冲击损伤的更多损伤信息。

与传统的二维图纸标注的冲击损伤信息表达方式相比，本公开的冲击损伤信息三维模型具有以下特点：

(1)三维可视化，即能够在机身部件的三维结构模型中通过本公开的冲击损伤信息三维模型直观地了解冲击损伤的几何空间位置信息、冲击方向、冲头类型、冲击能量等参数；

(2)和复合材料试验件的三维数模相匹配；

(3)本公开使用效率更高，交互性更好。

虽然以上描述了不同的实施例，但应当理解的是它们只是作为示例而非限制。(诸)相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (7)

1.一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法，包括：

获取与飞机的一个机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息；

构建与所述机身部件相关联的三维结构模型；

根据所述冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型；

其中所述根据所述冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型的步骤包括：

a)根据所述冲击损伤信息中的冲击点位置，在所述机身部件的所述三维结构模型的结构表面上的相应位置处创建一个圆心，作为特征点，该圆心代表了冲击损伤的目标位置；

b)基于建立的特征点并根据所述冲击损伤信息中的冲击方向形成一个从所述圆心出发并垂直于冲击点与所述机身部件的所述三维结构模型的结构表面所形成的切平面的法向量，所述法向量指示了冲击的方向；

c)根据所述冲击损伤信息中的冲击头尺寸确定圆的半径值；

d)以所述特征点为圆心围绕所述法向量，以半径值为半径扫略出一个圆形面，由此，构建出一个与所述机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息三维模型，其中所述冲击损伤信息三维模型是圆形平面数据模型；以及

e)根据所述冲击损伤信息中的其他信息对所构建的圆形平面数据模型进行信息编制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冲击损伤信息可包括：冲击损伤编号、冲击能量大小、冲击能量误差要求、冲击头尺寸、冲击损伤类型、冲击位置类型、冲击点位置、冲击方向、冲击引入工具、冲击点复合材料厚度、冲击点复合材料铺层信息以及其他各种信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冲击损伤信息可以通过对飞机各部件的复合材料的历史损伤数据进行统计分析获得，或者也可以根据计算机模拟仿真来估算出。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构建与所述机身部件相关联的三维结构模型包括：

利用CATIA软件来对所述机身部件进行三维建模。

5.一种实现复合材料冲击损伤信息三维化的系统，包括：

获取模块，被配置为获取与飞机的一个机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息；

三维结构模型构建模块，被配置为构建与所述机身部件相关联的三维结构模型；

冲击损伤信息模型构建模块，被配置为根据所述冲击损伤信息，在所述三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型；

其中所述冲击损伤信息模型构建模块被进一步配置成：

a)根据所述冲击损伤信息中的冲击点位置，在所述机身部件的所述三维结构模型的结构表面上的相应位置处创建一个圆心，作为特征点，该圆心代表了冲击损伤的目标位置；

b)基于建立的特征点并根据所述冲击损伤信息中的冲击方向形成一个从所述圆心出发并垂直于冲击点与所述机身部件的所述三维结构模型的结构表面所形成的切平面的法向量，所述法向量指示了冲击的方向；

c)根据所述冲击损伤信息中的冲击头尺寸确定圆的半径值；

d)以所述特征点为圆心围绕所述法向量，以半径值为半径扫略出一个圆形面，由此，构建出一个与所述机身部件的复合材料相关联的冲击损伤信息三维模型，其中所述冲击损伤信息三维模型是圆形平面数据模型；以及

e)根据所述冲击损伤信息中的其他信息对所构建的圆形平面数据模型进行信息编制。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述冲击损伤信息可包括：冲击损伤编号、冲击能量大小、冲击能量误差要求、冲击头尺寸、冲击损伤类型、冲击位置类型、冲击点位置、冲击方向、冲击引入工具、冲击点复合材料厚度、冲击点复合材料铺层信息以及其他各种信息。

7.一种存储有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得机器执行如权利要求1-4中任一权利要求所述的方法。