CN115060452B - 一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，属于风洞检测技术领域。解决的是无法全面观测喷管型面状况的问题。包括以下步骤：步骤一：建立喷管局部坐标系，并和标准坐标系对齐；步骤二：在喷管型面上标记出栅格点位置，并采集数据；步骤三：型面数据的插值与可视化；步骤四：数据转换与输出。本发明从更高的维度上去考察喷管型面的偏差问题，将点误差问题提升为整个曲面的误差测量，能够清楚的看到型面是否存在翘曲、倾斜等问题，得到喷管型面更加全面且真实的状态，更加精确评价喷管性能。

Description

一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法

技术领域

本发明涉及一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，属于风洞检测技术领域。

背景技术

喷管作为风洞中的高精度执行部件，是保证试验段流场品质极为关键的部件，喷管型面的位置精度和喷管型面的真实形状，是评价喷管产品最终性能的关键指标，对流场品质有至关重要的影响。大型风洞的喷管段长达十几米，形状不规则，型面的精度要求高，传统的测量手段是采用激光跟踪仪在喷管型面上采集少量推点位置的孤立点，用推点的误差来评价喷管整体的精度情况。这种方法在一定程度上虽然能够表征喷管的精度，但推点数目一般很少，半柔壁喷管仅仅几组推点，因此，对于喷管型面大部分非推点区域都是处在未知状态。由于喷管型面的不规则性和复杂性，几个推点的数据无法完整表征喷管型面形状，甚至无法知晓喷管是否是严格二维的。而整个喷管性能的优劣，不仅仅取决于几个推点的位置偏差，而是由以实际型面与理论型面的整体吻合度来决定。传统方法没有将喷管型面作为一个整体进行测量和研究，使得对喷管性能的评价产生一定的误差。

因此，亟需提出一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发解决的是无法全面观测喷管型面状况的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，包括以下步骤：

步骤一：建立喷管局部坐标系，并和标准坐标系对齐；

步骤二：在喷管型面上标记出栅格点位置，并采集数据；

步骤三：型面数据的插值与可视化；

步骤四：数据转换与输出。

优选的：①用高精度测量设备连续采集喷管出口附近的机加工侧壁面数据，采集范围为2m*1m的矩形，将采集的数据点以最小二乘法拟合为第一平面，取其平面方程的法向量作为喷管局部坐标系第一主轴；

②用高精度测量设备采集喷管出口两侧的喷管出口端面数据，将采集到的数据通过最小二乘法拟合形成第二平面，取其平面方程的法向量作为喷管局部坐标系的第二主轴；

③用高精度测量设备采集喷管出口端面的四个角点，将其投影到第二平面上，形成四边形，取四边形对角线的交点，作为原点；

④第一主轴与第二主轴在原点处相交，形成喷管局部坐标系；

⑤将三维模型中的喷管标准坐标系进行移动，调整坐标轴方向与喷管局部坐标系相同，完成对齐操作。

优选的：步骤二中，将喷管型面划分栅格，在栅格的交点处用高精度测量设备采集栅格点坐标，由此将喷管型面离散成为栅格点坐标，喷管型面的数据可由这些离散点来表述。

优选的：喷管为12m*2.4m的曲面结构，将喷管型面划分成300mm宽的栅格并用记号笔标识。

优选的：步骤三中，得到喷管型面栅格点数据后，通过数据插值的方法得到喷管的数学模型，即实测的喷管型面数据；对比实测喷管型面数据与理论数据之间的差异，通过编程方法形成喷管与理论型面的误差曲面图和截面误差曲线。

优选的：步骤四中，需要将数据点按照一定的数据格式进行改造，使其变成制图软件能够识别的格式，可以通过编程将插值后的喷管型面数据转换为stl格式，能够为分析软件识别。

优选的：高精度测量设备为激光跟踪仪。

本发明具有以下有益效果：

本发明从更高的维度上去考察喷管型面的偏差问题，将点误差问题提升为整个曲面的误差测量，能够清楚的看到型面是否存在翘曲、倾斜等问题，得到喷管型面更加全面且真实的状态，更加精确评价喷管性能。

附图说明

图1是本发明的一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法的流程图；

图2是喷管型面误差测量结果图；

图3是喷管中心截面误差图；

图4是喷管出口端面示意图；

图5是喷管剖面图；

图6是喷管的纵向剖面图；

图中：1-侧壁板，2-喷管框架，3-喷管柔板，4-螺旋升降机，11-上柔板误差，12-下柔板误差，13-入口侧，14-出口侧，15-实曲线减去理论直线曲线，16-出口端面，17-原点，18-角点，19-喷管局部坐标系，20-气流方向，21-推点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式一：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，喷管包括侧壁板1、喷管框架2、喷管柔板3和螺旋升降机4，喷管框架2的前后两侧设置有侧壁板1，侧壁板1的上下两侧设置有喷管柔板3，侧壁板1出口侧设置出口端面16，喷管柔板3与螺旋升降机4一端铰接，喷管柔板3与螺旋升降机4铰接处为推点，喷管柔板3内侧具有型面，螺旋升降机4另一端与喷管框架2连接，螺旋升降机4的长度变化推动喷管柔板3按照预定型面序列变化；

包括以下步骤：

步骤一：建立喷管局部坐标系，并和标准坐标系对齐；测量数据需要与三维模型世界中的理想喷管理论数据进行对比，必须将坐标系对齐的足够准确，才能够得到满足精度要求的数据，利用激光跟踪仪采集喷管特征数据作为坐标系基准，完成喷管局部坐标系的建立，并和三维数模中的坐标系进行对齐；喷管坐标系建立中所采用的数据采集与坐标系建立的软件为Spatial Analyzer（简称SA），在SA中将采集到的点坐标，通过最小二乘法拟合成为一个平面，得到其法向量，具体过程如下：

假设点的采集到的点坐标为：

其中，

为第n（n不小于100）个点的坐标，

为第i个点的坐标值。

如果这n个点拟合形成一个平面，则这个平面应该满足使得平面与所有参与拟合点的距离平方之和最小，假设这个平面的方程为：

其中A、B、C和D为平面方程的系数，向量（A，B，C）为此平面的法向量；

将各点坐标代入这个方程中有：

将方程组写成：

令：

写成矩阵形式：

记：

M为各点坐标按序排列并转置后形成的矩阵。

最小二乘解为：

其中

为向量

的最小二乘解，通过求解右侧矩阵运算，可得到：

不妨令

，由此可求得A、B、C的数值：

即为平面的法向量；

步骤一包括以下步骤：

①用高精度测量设备连续采集喷管出口附近的机加工侧壁面数据，采集范围为2m*1m的矩形，采集范围如图6中的虚线框5所示，将采集的数据点以最小二乘法（具体方法参见上述）拟合为第一平面，取其平面方程的法向量作为喷管局部坐标系第一主轴（对应坐标系中的y轴），如图5中的喷管局部坐标系所示，根据右手定则，y轴的方向为垂直于纸面方向内；

②用高精度测量设备采集喷管出口两侧的喷管出口端面数据，如图4中所标识的喷管出口端面，采集靶球分别沿出口两侧的喷管出口端面从上向下移动，形成两个距离较远的条形点云，将采集到的数据通过最小二乘法（具体方法参见上述）拟合形成第二平面，取其平面方程的法向（如图4中，垂直纸面方向向外）量作为喷管局部坐标系的第二主轴（如图5中，对应坐标系中的x轴）；

③用高精度测量设备采集喷管出口端面的四个角点，将其投影到第二平面上，形成四边形，取四边形对角线的交点，作为原点；

④第一主轴与第二主轴在原点处相交，形成喷管局部坐标系；

⑤将三维模型中的喷管标准坐标系进行移动，调整坐标轴方向与喷管局部坐标系相同，完成对齐操作；建立喷管局部坐标系的方法精度高，10米误差低于0.2mm；坐标系的建立完全参考喷管自身，喷管的移动和位置改变不影响测量结果；

步骤二：在喷管型面上标记出栅格点位置，并采集数据；

步骤二中，将喷管型面划分栅格，在栅格的交点处用高精度测量设备采集栅格点坐标，由此将喷管型面离散成为栅格点坐标，喷管型面的数据可由这些离散点来表述；

喷管型面为12m*2.4m的曲面结构，将喷管型面划分成300mm宽的栅格并用记号笔标识；采用激光跟踪仪采集的数据精度极高，可达0.002mm；采用的栅格方法能够准确描述喷管型面形状；

步骤三：型面数据的插值与可视化；

步骤三中，曲面结构上的点是无限的，测量得到的数据点是有限的，在得到喷管型面栅格点数据后，通过数据插值的方法得到喷管的数学模型，即实测的喷管型面数据；对比实测喷管型面数据与理论数据之间的差异，通过编程方法（参见下文中数据可视化内容）形成喷管与理论型面的误差曲面图和截面误差曲线；插值方法选用双谐波插值方法，特别适用于喷管这种形状未知的曲面模拟，具有适应性强、精度高的特点；通过可视化方法得到型面误差图能够直观的展示出喷管型面情况，可以快捷的得到任意截面的误差曲线和斜率误差；

数据插值方法介绍：

1、数据点去重：由于测点数量众多，测量过程中难免会出现同一栅格点重复测量的情况，而同一位置的重复点会对后续插值数据处理造成麻烦，因此需要先进行数据点的“去重”工作。将测量的型面坐标进行排序，首先以x坐标为关键参数进行排序，根据x值将数据点分隔成不同的区间（同区间内的x值差值不高于15mm），分别在各自区间内以y坐标为关键参数对数据点进行排序，排序后依次计算相邻点坐标的距离，值低于5mm的点认定为重点，保留它们中的一个，完成点的“去重”工作；

2、数据点插值：将去重后的数据点导入Matlab中，在Matlab中利用griddata函数将散点数据转换为曲面数据，函数具体形式为vq = griddata(x,y,z,xq,yq)，函数可以使z = f(x,y) 形式的曲面与向量 (x,y,z) 中的散点数据拟合；griddata 函数在 (xq,yq)指定的查询点对曲面进行插值并返回插入的值 vq；曲面始终穿过 x 和 y 定义的数据点；使用的方法为仅支持二维插值的双谐波插值方法，该方法不基于三角剖分，具有2阶连续性，适合用来描述喷管在复杂载荷作用下的变形；

3、数据可视化：在经过数据插值操作后，形成了规范化的喷管型面数学模型，提取yq=0截面的数据点，可以形成xz截面（如图5所示的平面）的喷管型线数据，测量其与理论型线的z向坐标差，便可得到喷管型面与理想型面的误差曲线图，如图3所示，其中纵向坐标为误差值，横向坐标为距离值，单位为mm；如果将规范化后的喷管型面数据，与理想的型面做差，测量其z向坐标差，便可得到喷管整个曲面的误差云图，如图2所示；

步骤四：数据转换与输出；

步骤四中，规范化的喷管型面数学模型并不是三维制图软件所能接受的格式，也不能导入CFD软件中进行后续分析，需要将数据点按照一定的数据格式进行改造，使其变成制图软件能够识别的格式，可以通过编程将插值后的喷管型面数据转换为stl格式，能够为分析软件识别，当推点处型面测量数据与理想型面低于0.5mm时，即认为型面满足设计需求；其中步骤四的数据转换方法，能够将真实的喷管型面导入三维软件中，后续的CFD分析可以用真实的型面数据来评估流场，精确的评估喷管性能；

将规范化的喷管型面数据转换成stl格式的过程：在Matlab中，规范化的喷管型面数据实际上是网格化的，其中xq与yq是网格化的坐标矩阵（维数相同的二维矩阵），vq是拟合函数f(xq,yq)的值，和坐标矩阵维数相同；将这些点按照stl格式的规则分割成三角形，并排列点的顺序，最后以二进制格式写入文件中，形成stl文件；

本发明采用高精度测量设备（如激光跟踪仪），对喷管型面进行栅格化数据点采集，选择合适的三维曲面插值手段，形成喷管型面数学模型，编写程序实现喷管型面与理论型面误差数据对比的可视化，并将数据点云转化为三维软件可识别的中间格式stl(STereoLithography, 立体光刻)，为后续针对喷管真实型性能进行CFD仿真模拟提供模型输入；

本发明得到了真实且完整的喷管三维型面，形成的误差数据直观且准确，提高了传统误差分析的维度，为后续的CFD评估喷管性能提供了关键的输入。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

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)

1.一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：建立喷管局部坐标系，并和标准坐标系对齐；

步骤一包括以下步骤：

①用高精度测量设备连续采集喷管出口附近的机加工侧壁面数据，采集范围为2m*1m的矩形，将采集的数据点以最小二乘法拟合为第一平面，取其平面方程的法向量作为喷管局部坐标系第一主轴；

②用高精度测量设备采集喷管出口两侧的喷管出口端面数据，将采集到的数据通过最小二乘法拟合形成第二平面，取其平面方程的法向量作为喷管局部坐标系的第二主轴；

③用高精度测量设备采集喷管出口端面的四个角点，将其投影到第二平面上，形成四边形，取四边形对角线的交点，作为原点；

④第一主轴与第二主轴在原点处相交，形成喷管局部坐标系；

⑤将三维模型中的喷管标准坐标系进行移动，调整坐标轴方向与喷管局部坐标系相同，完成对齐操作；

步骤二：在喷管型面上标记出栅格点位置，并采集数据；

步骤三：型面数据的插值与可视化；

步骤三中，得到喷管型面栅格点数据后，通过数据插值的方法得到喷管的数学模型，即实测的喷管型面数据；对比实测喷管型面数据与理论数据之间的差异，通过编程方法形成喷管与理论型面的误差曲面图和截面误差曲线；

步骤四：数据转换与输出。

2.根据权利要求1所述的一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，其特征在于：步骤二中，将喷管型面划分栅格，在栅格的交点处用高精度测量设备采集栅格点坐标，由此将喷管型面离散成为栅格点坐标，喷管型面的数据可由这些离散点来表述。

3.根据权利要求2所述的一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，其特征在于：喷管为12m*2.4m的曲面结构，将喷管型面划分成300mm宽的栅格并用记号笔标识。

4.根据权利要求1所述的一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，其特征在于：步骤四中，需要将数据点按照一定的数据格式进行改造，使其变成制图软件能够识别的格式，可以通过编程将插值后的喷管型面数据转换为stl格式，能够为分析软件识别。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种应用于大型风洞喷管型面全景误差检测方法，其特征在于：高精度测量设备为激光跟踪仪。

Images