基于特征的航空发动机管路反求建模系统关键技术研究

论文摘要

航空发动机管路设计质量直接影响其可靠性和维修性。由于布局空间限制严格，管道层叠交错、形状复杂，管路设计及其数据管理一直以实物样件为信息介质。随着航空发动机设计试验技术向数字化方向发展，对管路数字化设计中的反求建模新技术提出了迫切需求。基于特征的反求建模是反求工程研究领域近年来发展起来的一项具有广阔应用前景的新技术。将其应用于航空发动机管路设计和数据管理中的三维建模，不仅可以提高设计质量和效率，而且也可以直接驱动管路的数字化制造与检测，大大缩短研制周期，降低研制费用。 本文针对航空发动机管路的反求建模问题，系统地研究了基于特征的反求建模理论和方法。提出了基于特征的航空发动机管路反求建模系统框架；并围绕其中的多视数据配准、数据分割、特征提取和管路特征建模等关键技术进行了深入研究；在此基础上，设计并开发出一个软件原型系统，并通过计算机仿真和实际管道的测量与重构实验，对本文的理论、方法和系统进行了实例验证。论文的主要研究成果包括： 1．提出了基于特征的航空发动机管路反求建模系统框架。分析了航空发动机管路中管道设计的特点及其技术发展状况；研究了基于特征的反求工程技术，提出了基于曲面特征和截面特征相结合的管路反求建模方法。分析了反求建模方法的实现流程及其关键技术，进而提出了基于特征的管路反求建模系统框架及其实现方法。 2．分析了曲面微分几何属性，提出了管路测量数据的多视数据配准算法。总结了曲面的微分几何属性，并对微分几何属性的估计技术及其实现方法进行了分析。针对管路测量数据的多视数据配准问题，提出了一种粗配准和精配准相结合的多视数据配准新算法。粗配准可有效地缩小模型坐标系间的差异，并能确定精配准模型参数的边界范围。在粗配准的基础上，利用L-BFGS-B算法对带边界约束的精配准模型进行优化求解。 3．提出了数据分割的理论以及管路数据的分割方法。从逻辑学角度对数据分割的一般机理进行了分析，在此基础上，结合数据分割方法、计算机图形学和集合论等知识对数据分割机理中具体特点及其分析过程进行了总结。利用数据分割理论研究的成果，对管路的分割方法进行了研究，提出了一种管路测量数据的区域增长分割方法。 4．提出了新的特征拟合算法。针对管路特征的提取问题，总结了管路特征提取过程中拟合问题的求解流程及方法，分析了特征约束关系的类型以及约束模

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 航空发动机管路设计技术
• 1.1.1 航空发动机管路及其特点
• 1.1.2 管路设计技术现状
• 1.1.3 管路设计技术发展趋势
• 1.2 基于特征的反求工程建模方法
• 1.2.1 反求工程的定义
• 1.2.2 基于特征的反求工程技术及其发展
• 1.2.3 基于特征的反求工程技术优势
• 1.2.4 反求工程与商用 CAD软件的关系
• 1.3 基于特征的航空发动机管路反求建模技术
• 1.3.1 管路多视数据配准技术
• 1.3.2 管路数据分割技术
• 1.3.3 管路特征提取技术
• 1.3.4 管道特征建模技术
• 1.4 论文选题背景及主要研究内容
• 1.4.1 论文选题背景
• 1.4.2 主要研究内容及章节安排
• 第二章 基于特征的航空发动机管路反求建模系统
• 2.1 引言
• 2.2 系统实现框架
• 2.2.1 总体处理流程
• 2.2.2 特征提取技术流程
• 2.2.3 特征建模流程
• 2.2.4 系统框架
• 2.3 系统关键技术
• 2.3.1 多视数据配准
• 2.3.2 数据分割理论与方法
• 2.3.3 特征提取
• 2.3.4 特征建模
• 2.4 本章小结
• 第三章 点云数据预处理方法
• 3.1 引言
• 3.2 局部曲面属性分析
• 3.2.1 微分几何属性理论
• 3.2.2 局部邻域结构
• 3.2.3 属性估计方法
• 3.2.4 属性估计实例
• 3.3 多视数据配准
• 3.3.1 配准问题描述
• 3.3.2 实现方案
• 3.3.3 配准实例
• 3.4 本章小结
• 第四章 数据分割理论及方法
• 4.1 引言
• 4.2 数据分割理论
• 4.2.1 逻辑特性分析
• 4.2.2 数据分割机理
• 4.2.3 问题分析过程
• 4.3 管路数据分割方法
• 4.3.1 几何属性分析
• 4.3.2 点云分割策略
• 4.3.3 特征区域识别算法
• 4.3.4 分割实例
• 4.4 本章小结
• 第五章 基元特征提取技术
• 5.1 引言
• 5.2 基元特征拟合策略
• 5.2.1 拟合问题
• 5.2.2 最小二乘拟合模型
• 5.2.3 基元拟合策略分析
• 5.3 二次曲面拟合
• 5.3.1 距离表示形式
• 5.3.2 拟合模型求解
• 5.3.3 曲面拟合实例
• 5.4 二次曲线拟合
• 5.4.1 拟合模型及求解方法
• 5.4.2 曲线拟合实例
• 5.5 基元约束关系处理
• 5.5.1 基元约束问题
• 5.5.2 约束模型求解
• 5.6 本章小结
• 第六章 航空发动机管路特征建模技术
• 6.1 引言
• 6.2 曲面特征型管道重建
• 6.2.1 专家系统及其实现策略
• 6.2.2 知识库的构建与应用
• 6.2.3 遮挡实例
• 6.3 基于截面特征的管道反求重建
• 6.3.1 管道截面数据处理
• 6.3.2 截面特征型管道重建
• 6.3.3 管道重建实例
• 6.4 本章小结
• 第七章 原型系统的设计与实现
• 7.1 引言
• 7.2 原型系统的设计
• 7.2.1 系统功能要求
• 7.2.2 功能模块划分
• 7.3 实现技术及界面
• 7.3.1 实现技术
• 7.3.2 相关界面
• 7.4 管路反求建模实例
• 7.5本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位论文期间的研究成果
• 致谢
• 附录A 协方差分析
• 附录B L-BFGS-B算法
• 附录C 逻辑学原理
• 附录D 经典集合论
• 附录E 模糊集合论
• 附录F Mean Shift算法