一种快速获取异形曲面结构厚度分布的方法与流程

本发明涉及异形结构仿形制备系统领域，具体涉及异形曲面结构的一种新型厚度分布的获取方法。

背景技术：

平面仿形制备是曲面结构无法直接成型，而将结构平面展开制备，再塑模变形得到结构的制备方法。从曲面结构到平面模型的转化精度成为产品质量的关键制约因素。特别是变厚度异形曲面结构，目前没有很好的厚度获取方法，现阶段多是采用中面展开并布点测量的方式得到近似的厚度。此种方法不仅需要大量的时间、效率低，精度也受测量方式影响。因此亟需一种高效、高精度的异形曲面结构厚度分布获取方法，解决结构平面仿形制备的精度问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种快速获取异形曲面结构厚度分布的方法，解决现有技术中获取异形曲面结构厚度分布方法效率低、精度低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种快速获取异形曲面结构厚度分布的方法，包括以下步骤：

1)、创建该异形曲面结构模型，选择基准点，对曲面结构的上、下表面进行网格划分，将曲面实体的上、下表面分为若干个网格单元。可以通过复合曲线拟合形成曲面，进而建立异形曲面结构模型。

2)、以基准点作为坐标原点建立三维直角坐标系OXYZ，其中，X轴与曲面结构的宽度方向平行，Z轴与曲面结构的长度方向平行，Y轴与曲面结构的厚度方向平行，对上表面所有网格单元的节点进行编号，所有节点构成一个点阵，每个节点对应一个唯一的编号，节点编号记作Ai，j，其中，i表示沿曲面结构宽度方向的节点的编号，j表示沿曲面结构长度方向的节点的编号，并记录每个节点的三维坐标值(x、y、z)；同样，对下表面网格的节点进行编号，记作A，i，j，并记录下表面每个节点的三维坐标值；

3)、在曲面结构上、下表面的所有节点中各选取M个节点，M>100，M为正整数，在上、下表面选取的节点数量相同，且所选的上表面上的每个节点与下表面上对应的一个节点沿曲面结构宽度方向的节点的编号相同、沿曲面结构长度方向的节点的编号相同，记录所选取节点的坐标值，将上、下表面选取的对应的两个节点记为一组节点；

4)、根据步骤3)中所选取的M组节点的坐标值，采用线性插值法将所选取的上、下表面对应的每一组组节点之间的连线均分为N等分，N>1，且N为正整数，将每层M个等分点连成一个曲面，则将曲面结构沿厚度方向被分为N个片体；

5)、标记每个片体中上、下表面上对应的M个节点，分别记为Pi，j，P’i，j，则片体中任一组节点和曲面结构上、下表面中与之对应的节点的X轴坐标相同、Z轴坐标值相同；然后采用线性插值法得到每个片体上每组节点Pi，j，P’i，j的中点，将片体的M个中点连成面得到片体的中面，过各中点做所在曲面微元的法线，该法线与片体上、下表面的相交，记录两个交点的坐标值，根据两个交点的坐标值计算出两交点之间的距离，该距离为该片体在该中点处的厚度值y’，记中面上的中点为Gi，j，记录中面上的中点的三维坐标(x、y’、z)；同样，得出N个片体的中面上，所有中点处的厚度值，以及中点的三维坐标；

6)、采用与步骤1)相同的规则对每个片体的中面进行网格划分，以基点所对应网格单元作为展开基准平面，依次连续地将片体中面网格展平；

7)、采用与步骤1)相同的规则以及基准，对展开后的中面重新进行网格划分，并对展开平面上的网格节点，进行重新编号，记为K i’，j’，i’表示沿曲面结构宽度方向的节点的编号，j’表示沿曲面结构长度方向的节点的编号，依照步骤1)中三维直角坐标系OXYZ中，记录重新划分后的各网格的坐标值(x’、y”、z’)，其中，y”为该展开平面上该新节点处的厚度值；展开平面上每个新的节点K i’，j’周围有多个中面节点Gi，j，则采用差值法根据多个中面节点Gi，j的厚度值y’得出对应新节点K i’，j’的厚度值y”；同样，得出N个片体中面的展开平面上所有新节点处对应的厚度值y”；

8)、以相同的基准点将N个片体中面的展开平面进行积分叠加，得到异形曲面结构平面展开结构的轮廓以及各节点对应的厚度值，获取厚度分布，得到异形曲面结构平面展开模型。

本发明中采用线性插值法将曲面结构沿厚度方向分为多个片体，得到每个片体上各个节点处的厚度分布，然后再将每个片体的中面展平，采用差值法得到展开平面上各个新节点处对应的片体的厚度值，然后将展开平面进行积分叠加，得到异形曲面结构平面展开结构的轮廓以及各节点对应的厚度值，获取厚度分布，得到异形曲面结构平面展开模型。通过将曲面结构沿厚度方向分为多个片体，大大提高了厚度值的准确度，且该方法简单、高效，解决了异形曲面结构厚度获取难度大、准确性不足等难题，弥补了以平面仿形制备的异形曲面结构由于厚度误差导致的缺陷，具有高效快速、精确、自动化等优点，可以成为获取异形曲面结构厚度分布的一种新方法。

进一步改进，所述步骤1)中，对曲面结构上、下表面划分为网格时，相邻网格单元节点之间的厚度变化率宜小于10％。尽可能使网格大小更小一些，且保证所有的网格单元大小均匀，较小误差，利于提高提高曲面获取厚度的精度

进一步改进，所述步骤1)中，对曲面结构上、下表面进行网格划分，网格单元为矩形，便于划分和编号，提高精度。

进一步改进，所述步骤3)中，在曲面结构上、下表面的所有节点中各选取M个节点时，应该筛除异形点，且应该使所选取的节点尽可能均匀分布。在模型建立过程中，会存在一些线条，这些线条会与划分网格时的线条相交，这些交点作为异形点对网格节点的选取造成干扰，故需要剔除。或者在网格划分时，划分方法选取不当，多存在一些异形点，在后续的优化过程中，需要筛除这些异形点，减小误差，提高精度。

进一步改进，所述步骤4)中，将曲面结构沿厚度方向被分为N个片体，N≥5。将曲面结构沿厚度方向分为尽可能多的片体，使过各中点做所在曲面微元的法线与片体上、下表面垂直，保证两交点之间的距离更接近该片体在该中点处的厚度值，减小误差，提高精度。

与现有技术相比，本方案具有如下有益效果：

(1)、本发明方法通过对网格大小的控制能够提高曲面获取厚度的精度。采用分片方法不仅能精确读取厚度，得到厚度结果在中平面上下分布相对于中面展开布点测量获取厚度的方法更贴近结构特性。

(2)、本发明所涉及的技术方案可采用计算机编程的形式快速实现，无需手动取点测量，效率高，方便易用。

附图说明

图1为本发明所述变厚度异形曲面结构示意图。

图2为异形曲面结构表面网格划分示意图。

图3为通过积分叠加方式得到展平示意图。

图4为图3中1-1截面，对比结果图。

图5为图3中2-2截面，对比结果图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

一种快速获取异形曲面结构厚度分布的方法，包括以下步骤：

1)、创建该异形曲面结构模型，图1所示，选择基准点，对曲面结构的上、下表面进行网格划分，网格为矩形，网格规格为1.25*3.333，将曲面实体的上、下表面分为若干个网格单元，如图2所示；

2)、以基准点作为坐标原点建立三维直角坐标系OXYZ，其中，X轴与曲面结构的宽度方向平行，Z轴与曲面结构的长度方向平行，Y轴与曲面结构的厚度方向平行，对上表面所有网格单元的节点进行编号，所有节点构成一个点矩阵，每个节点对应一个唯一的编号，节点编号记作Ai，j，其中，i表示沿曲面结构宽度方向的节点的编号，j表示沿曲面结构长度方向的节点的编号，并记录每个节点的三维坐标值(x、y、z)；同样，对下表面网格的节点进行编号，记作A’i，j，并记录下表面每个节点的三维坐标值；上、下表面对应位置节点的X轴坐标相同、Z轴坐标值相同；

3)、在曲面结构上、下表面的所有节点的点阵中各选取2120个节点，在上、下表面选取的节点数量相同，且所选的上表面上的每个节点与下表面上对应的一个节点的X轴坐标相同、Z轴坐标值相同，将上、下表面选取的对应的两个节点记为一组节点；在本实施例中，曲面结构上表面选取的2120个节点从步骤2)中点矩阵的A(1、1)开始选取，连续选取到A(30、20)，每行有70个节点；曲面结构下表面选取的2120个节点从步骤2)中点矩阵的A’(1、1)开始选取，连续选取到A，(30、20)，每行有70个节点所选取的节点编号。所选取节点的标号，及坐标值如表1所示：

表1上、下表面中所选取节点的编号、坐标值(坐标值单位：mm)

4)、根据步骤3)中所选取的2120组节点的坐标值，采用线性插值法将所选取的上、下表面对应的每一组组节点之间的连线均分为5等分，将每层2120个等分点连成一个曲面，则将曲面结构沿厚度方向被分为5个片体；

5)、标记每个片体中上、下表面上对应的2120个节点，分别记为Pi，j，P’i，j，则片体中任一组节点和曲面结构上、下表面中与之对应的节点的X轴坐标相同、Z轴坐标值相同；然后采用线性插值法得到每个片体上每组节点Pi，j，P’i，j的中点，将片体的M个中点连成面得到片体的中面，过各中点做所在曲面微元的法线，该法线与片体上、下表面的相交，记录两个交点的坐标值，根据两个交点的坐标值计算出两交点之间的距离，该距离为该片体在该中点处的厚度值y’，记中面上的中点为Gi，j，记录中面上的中点的三维坐标(x、y’、z)；同样，得出N个片体的中面上，所有中点处的厚度值，以及中点的三维坐标；其中第1片体、第5片体上、下表面所选取节点的标号，及坐标值如表2所示：表2第1片和第5片点云坐标数据(坐标值单位：mm)

6)、采用与步骤1)相同的规则对每个片体的中面进行网格划分，以基点所对应网格单元作为展开基准平面，依次连续地将片体中面网格展平；

7)、采用与步骤1)相同的规则以及基准，对展开后的中面重新进行网格划分，重新划分的网格为矩形，网格规格为1.25*3.333；并对展开平面上的网格节点，进行重新编号，记为K i’，j’，i’表示沿曲面结构宽度方向的节点的编号，j’表示沿曲面结构长度方向的节点的编号，依照步骤1)中三维直角坐标系OXYZ中，记录重新划分后的各网格的坐标值(x’、y”、z’)，其中，y”为该展开平面上该新节点处的厚度值；展开平面上每个新的节点K i’，j’周围有多个中面节点Gi，j，则采用差值法根据多个中面节点Gi，j的厚度值y’得出对应新节点K i’，j’的厚度值y”；同样，得出5个片体中面的展开平面上所有新节点处对应的厚度值y”；

8)、以相同的基准点将5个片体中面的展开平面进行积分叠加，得到异形曲面结构平面展开结构的轮廓，如图3所示，以及各节点对应的厚度值，获取厚度分布，得到异形曲面结构平面展开模型。其中，第1片体、第5片体展开、重新换分网格，并重新编号后，选取节点的标号、对应的节点的厚度值，以及该曲面结构的厚度分布置，如表3所示：

表3展开、重划网格后分片体叠加结果数据(坐标值单位：mm)

表3中，总厚度值为该曲面结构在各节点出的厚度分布值。

按照本发明方法展开的结果，与采用背景技术中所描述的现阶段布点测量方法得到的结果进行对比，取1-1、2-2两个截面，对比结果如图4、图5。可以得到本发明的厚度获取方法的到的数据很多、非常密集，所有的数据在坐标系中构成一条曲线，具有很高的精确性；而布点测量方法得到的数据量很小，所有的数据在坐标系中只是一个个孤点，误差很大。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。