一種冰形簡化方法
【專利摘要】一種冰形簡化方法屬于航空領(lǐng)域，對冰風(fēng)洞中得到的復(fù)雜的不規(guī)則二維冰形進行簡化，采用B樣條曲線方法，針對角狀型冰和流線型冰兩種基本類型的冰，提供了基于冰形特征點位置的參數(shù)化描述方法，并公開了一種以冰形相似度為目標(biāo)函數(shù)尋求最優(yōu)或準(zhǔn)最優(yōu)方案的冰形簡化方法；本發(fā)明為飛機結(jié)冰研究、結(jié)冰風(fēng)洞調(diào)試及冰風(fēng)洞實驗結(jié)果處理等領(lǐng)域提供技術(shù)支撐，具有較好的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】
一種冰形簡化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航空領(lǐng)域，提供一種冰形簡化方法，可應(yīng)用于飛機結(jié)冰研究、結(jié)冰風(fēng)洞調(diào)試及冰風(fēng)洞實驗結(jié)果處理。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機在含有過冷水滴的云層中飛行時可能遭遇結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰是飛行安全的主要隱患之一，輕則是飛機的安全飛行范圍減小，重則導(dǎo)致機毀人亡的嚴(yán)重事故，冰形是結(jié)冰對飛機安全影響研究的輸入條件，也是防除冰研究的依據(jù)和基礎(chǔ)。
[0003]結(jié)冰風(fēng)洞實驗是獲得冰形的主要手段之一，結(jié)冰風(fēng)洞實驗得到的結(jié)冰形狀復(fù)雜多樣，有的外形極不規(guī)則，尤其是在溫度較高、液態(tài)水含量較大的情況下，結(jié)冰過程中存在液態(tài)水在結(jié)冰表面的溢流和二次凍結(jié)，在結(jié)冰極限附近會形成羽狀區(qū)域，這種冰的外形極其復(fù)雜，要在常規(guī)風(fēng)洞中用實驗的辦法考察這種冰對氣動特性的影響，必需要制作冰模型。雖然現(xiàn)代的數(shù)控加工技術(shù)很先進，但仍不能完全準(zhǔn)確的加工出如此復(fù)雜且易于安裝在物體表面的冰模型。為此必須建立合理的冰形簡化方法，使得經(jīng)過處理的冰形數(shù)據(jù)既可以保持冰的主要特征，又方便冰模型的制作加工。
[0004]國際上，美國、歐洲等航空發(fā)達國家都建有冰風(fēng)洞，從能查詢到的資料中還未見結(jié)冰風(fēng)洞冰形簡化方法。國內(nèi)在飛機結(jié)冰領(lǐng)域研究起步較晚，用于生產(chǎn)實驗的大型結(jié)冰風(fēng)洞也是剛剛建成，雖然在綿陽、沈陽、武漢、哈爾濱等地有幾座小型的結(jié)冰風(fēng)洞，但配套的測試設(shè)備、試驗技術(shù)和理論尚需完善，從公開查閱的資料顯示，目前結(jié)冰風(fēng)洞冰形簡化方法的研究在國內(nèi)尚屬空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明創(chuàng)造的目的就是針對上述現(xiàn)有的技術(shù)問題，提供了一種試驗復(fù)雜冰形的簡化方法，可為飛機結(jié)冰研究、結(jié)冰風(fēng)洞調(diào)試及冰風(fēng)洞實驗結(jié)果處理等領(lǐng)域研究提供技術(shù)支撐，具有較好的工程應(yīng)用價值。
[0006]本發(fā)明創(chuàng)造的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007](I)確定冰形的類型
[0008]通過觀察確定冰形是典型的流線型冰或角狀型冰；
[0009](2)確定冰形的特征點
[0010]①角狀型冰的五個特征點為上冰角點、下冰角點，駐點、上極限點和下極限點，采用如下方法得到:
[0011]第一步以翼型前緣處為分界線，將二維冰形分為上下兩部分；
[0012]第二步沿上下表面分別搜索冰形離物面最遠點，該兩點即為上、下冰角點，搜索過程中對冰形每一個單元段進行內(nèi)插值，分別計算各點離物面的距離；
[0013]第三步搜索上、下冰角點之間離物面最近處的點，該點即為駐點；
[0014]第四步根據(jù)帶冰翼型數(shù)據(jù)和初始翼型數(shù)據(jù)進行搜索，不重合的部分即為冰形區(qū)域，冰形區(qū)域上、下臨界點為冰形上、下極限點；
[0015]②流線型冰的三個特征點為駐點、上極限點和下極限點，采用如下方法得到:
[0016]第一步搜索冰形離物面最遠處的點，該點即為駐點；
[0017]第二步根據(jù)帶冰翼型數(shù)據(jù)和初始翼型數(shù)據(jù)進行搜索，不重合的部分即為冰形區(qū)域，冰形區(qū)域上、下臨界點為冰形上、下極限點；
[0018](3)基于特征點位置的冰形簡化過程
[0019]冰形簡化過程是在維持原始冰形特征點位置不變的情況下，采用通過各特征點的B樣條曲線代替原始冰形曲線的參數(shù)化描述方法，其過程為:
[0020]①冰形采用三次B樣條曲線描述，B樣條曲線由分段曲線組成，三次B樣條曲線中4個控制點控制一段曲線，則一個N個控制點的B樣條曲線的段數(shù)為(N-3)段;上、下極限點處的控制點取三重頂點，即三個重合的控制點的X、Y坐標(biāo)值都對應(yīng)取為該極限點的X、Y坐標(biāo)值;駐點、上、下頂點處控制點應(yīng)在一條直線上，取該頂點與翼型距離線的垂直方向，三個控制點之間的距離為一個小量，中間的控制點的坐標(biāo)取為對應(yīng)的頂點坐標(biāo);兩個頂點之間的冰形曲線通過一段或多段曲線組成，對應(yīng)的控制點可以根據(jù)冰形數(shù)據(jù)進行調(diào)整；
[0021]②調(diào)整上述B樣條曲線中的各個參數(shù)使簡化后的冰形曲線與原始冰形曲線的相似度達到最優(yōu)，其過程作為一個以冰形相似度為目標(biāo)函數(shù)的尋求最優(yōu)或準(zhǔn)最優(yōu)方案的優(yōu)化過程，尋找方法采用基因遺傳算法或其它優(yōu)化算法;所述的冰形相似度通過計算冰形差異率得到，所述的冰形差異率為兩個冰形面積不重疊面積之和與兩個冰形平均面積之比，冰形的相似度與冰形的差異率之和為100% ;
[0022 ]③上述優(yōu)化后的B樣條曲線即為簡化后的冰形曲線。
[0023]本發(fā)明通過研究飛機結(jié)冰二維冰形的典型特征，提供一種冰形的簡化方法，使冰模型加工更加便捷、簡單，為飛機結(jié)冰研究、結(jié)冰風(fēng)洞調(diào)試及冰風(fēng)洞實驗結(jié)果處理等領(lǐng)域研究提供技術(shù)支撐，具有較好的工程應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0024]圖1典型角狀型冰
[0025]圖2典型流線型冰
[0026]圖3原始冰形
[0027]圖4簡化前后冰形及控制點
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造的實施方式進行詳細描述:一種冰形簡化方法，其特征在于包括如下步驟:
[0029](I)確定冰形的類型
[0030]通過觀察確定冰形是典型的流線型冰或角狀型冰；
[0031](2)確定冰形的特征點
[0032]①角狀型冰的五個特征點為上冰角點、下冰角點，駐點、上極限點和下極限點，采用如下方法得到:
[0033]第一步以翼型前緣處為分界線，將二維冰形分為上下兩部分；
[0034]第二步沿上下表面分別搜索冰形離物面最遠點，該兩點即為上、下冰角點，搜索過程中對冰形每一個單元段進行內(nèi)插值，分別計算各點離物面的距離；
[0035]第三步搜索上、下冰角點之間離物面最近處的點，該點即為駐點；
[0036]第四步根據(jù)帶冰翼型數(shù)據(jù)和初始翼型數(shù)據(jù)進行搜索，不重合的部分即為冰形區(qū)域，冰形區(qū)域上、下臨界點為冰形上、下極限點；
[0037]②流線型冰的三個特征點為駐點、上極限點和下極限點，采用如下方法得到:
[0038]第一步搜索冰形離物面最遠處的點，該點即為駐點；
[0039]第二步根據(jù)帶冰翼型數(shù)據(jù)和初始翼型數(shù)據(jù)進行搜索，不重合的部分即為冰形區(qū)域，冰形區(qū)域上、下臨界點為冰形上、下極限點；
[0040](3)基于特征點位置的冰形簡化過程
[0041 ]冰形簡化過程是在維持原始冰形特征點位置不變的情況下，采用通過各特征點的B樣條曲線代替原始冰形曲線的參數(shù)化描述方法，其過程為:
[0042]①冰形采用三次B樣條曲線描述，B樣條曲線由分段曲線組成，三次B樣條曲線中4個控制點控制一段曲線，則一個N個控制點的B樣條曲線的段數(shù)為(N-3)段;上、下極限點處的控制點取三重頂點，即三個重合的控制點的X、Y坐標(biāo)值都對應(yīng)取為該極限點的X、Y坐標(biāo)值;駐點、上、下頂點處控制點應(yīng)在一條直線上，取該頂點與翼型距離線的垂直方向，三個控制點之間的距離為一個小量，中間的控制點的坐標(biāo)取為對應(yīng)的頂點坐標(biāo);兩個頂點之間的冰形曲線通過一段或多段曲線組成，對應(yīng)的控制點可以根據(jù)冰形數(shù)據(jù)進行調(diào)整；
[0043]②調(diào)整上述B樣條曲線中的各個參數(shù)使簡化后的冰形曲線與原始冰形曲線的相似度達到最優(yōu)，其過程作為一個以冰形相似度為目標(biāo)函數(shù)的尋求最優(yōu)或準(zhǔn)最優(yōu)方案的優(yōu)化過程，尋找方法采用基因遺傳算法或其它優(yōu)化算法;所述的冰形相似度通過計算冰形差異率得到，所述的冰形差異率為兩個冰形面積不重疊面積之和與兩個冰形平均面積之比，冰形的相似度與冰形的差異率之和為100% ;
[0044]③上述優(yōu)化后的B樣條曲線即為簡化后的冰形曲線。
【主權(quán)項】
1.一種冰形簡化方法，其特征在于包括如下步驟: (1)確定冰形的類型 通過觀察確定冰形是典型的流線型冰或角狀型冰； (2)確定冰形的特征點 ①角狀型冰的五個特征點為上冰角點、下冰角點，駐點、上極限點和下極限點，采用如下方法得到: 第一步以翼型前緣處為分界線，將二維冰形分為上下兩部分； 第二步沿上下表面分別搜索冰形離物面最遠點，該兩點即為上、下冰角點，搜索過程中對冰形每一個單元段進行內(nèi)插值，分別計算各點離物面的距離； 第三步搜索上、下冰角點之間離物面最近處的點，該點即為駐點； 第四步根據(jù)帶冰翼型數(shù)據(jù)和初始翼型數(shù)據(jù)進行搜索，不重合的部分即為冰形區(qū)域，冰形區(qū)域上、下臨界點為冰形上、下極限點； ②流線型冰的三個特征點為駐點、上極限點和下極限點，采用如下方法得到: 第一步搜索冰形離物面最遠處的點，該點即為駐點； 第二步根據(jù)帶冰翼型數(shù)據(jù)和初始翼型數(shù)據(jù)進行搜索，不重合的部分即為冰形區(qū)域，冰形區(qū)域上、下臨界點為冰形上、下極限點； (3)基于特征點位置的冰形簡化過程 冰形簡化過程是在維持原始冰形特征點位置不變的情況下，采用通過各特征點的B樣條曲線代替原始冰形曲線的參數(shù)化描述方法，其過程為: ①冰形采用三次B樣條曲線描述，B樣條曲線由分段曲線組成，三次B樣條曲線中4個控制點控制一段曲線，則一個N個控制點的B樣條曲線的段數(shù)為(N-3)段;上、下極限點處的控制點取三重頂點，即三個重合的控制點的X、Y坐標(biāo)值都對應(yīng)取為該極限點的X、Y坐標(biāo)值;駐點、上、下頂點處控制點應(yīng)在一條直線上，取該頂點與翼型距離線的垂直方向，三個控制點之間的距離為一個小量，中間的控制點的坐標(biāo)取為對應(yīng)的頂點坐標(biāo);兩個頂點之間的冰形曲線通過一段或多段曲線組成，對應(yīng)的控制點可以根據(jù)冰形數(shù)據(jù)進行調(diào)整； ②調(diào)整上述B樣條曲線中的各個參數(shù)使簡化后的冰形曲線與原始冰形曲線的相似度達到最優(yōu)，其過程作為一個以冰形相似度為目標(biāo)函數(shù)的尋求最優(yōu)或準(zhǔn)最優(yōu)方案的優(yōu)化過程，尋找方法采用基因遺傳算法或其它優(yōu)化算法;所述的冰形相似度通過計算冰形差異率得至IJ，所述的冰形差異率為兩個冰形面積不重疊面積之和與兩個冰形平均面積之比，冰形的相似度與冰形的差異率之和為100% ; ③上述優(yōu)化后的B樣條曲線即為簡化后的冰形曲線。
【文檔編號】G06T17/30GK105869212SQ201610153144
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】周志宏, 易賢, 車競, 王紹龍, 桂業(yè)偉, 郭民
【申請人】空氣動力學(xué)國家重點實驗室