一种冰形简化方法
【专利摘要】一种冰形简化方法属于航空领域，对冰风洞中得到的复杂的不规则二维冰形进行简化，采用B样条曲线方法，针对角状型冰和流线型冰两种基本类型的冰，提供了基于冰形特征点位置的参数化描述方法，并公开了一种以冰形相似度为目标函数寻求最优或准最优方案的冰形简化方法；本发明为飞机结冰研究、结冰风洞调试及冰风洞实验结果处理等领域提供技术支撑，具有较好的工程应用价值。
【专利说明】
一种冰形简化方法
技术领域
[0001]本发明涉及航空领域，提供一种冰形简化方法，可应用于飞机结冰研究、结冰风洞调试及冰风洞实验结果处理。
【背景技术】
[0002]飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时可能遭遇结冰现象，结冰是飞行安全的主要隐患之一，轻则是飞机的安全飞行范围减小，重则导致机毁人亡的严重事故，冰形是结冰对飞机安全影响研究的输入条件，也是防除冰研究的依据和基础。
[0003]结冰风洞实验是获得冰形的主要手段之一，结冰风洞实验得到的结冰形状复杂多样，有的外形极不规则，尤其是在温度较高、液态水含量较大的情况下，结冰过程中存在液态水在结冰表面的溢流和二次冻结，在结冰极限附近会形成羽状区域，这种冰的外形极其复杂，要在常规风洞中用实验的办法考察这种冰对气动特性的影响，必需要制作冰模型。虽然现代的数控加工技术很先进，但仍不能完全准确的加工出如此复杂且易于安装在物体表面的冰模型。为此必须建立合理的冰形简化方法，使得经过处理的冰形数据既可以保持冰的主要特征，又方便冰模型的制作加工。
[0004]国际上，美国、欧洲等航空发达国家都建有冰风洞，从能查询到的资料中还未见结冰风洞冰形简化方法。国内在飞机结冰领域研究起步较晚，用于生产实验的大型结冰风洞也是刚刚建成，虽然在绵阳、沈阳、武汉、哈尔滨等地有几座小型的结冰风洞，但配套的测试设备、试验技术和理论尚需完善，从公开查阅的资料显示，目前结冰风洞冰形简化方法的研究在国内尚属空白。
【发明内容】
[0005]本发明创造的目的就是针对上述现有的技术问题，提供了一种试验复杂冰形的简化方法，可为飞机结冰研究、结冰风洞调试及冰风洞实验结果处理等领域研究提供技术支撑，具有较好的工程应用价值。
[0006]本发明创造的目的是这样实现的:
[0007](I)确定冰形的类型
[0008]通过观察确定冰形是典型的流线型冰或角状型冰；
[0009](2)确定冰形的特征点
[0010]①角状型冰的五个特征点为上冰角点、下冰角点，驻点、上极限点和下极限点，采用如下方法得到:
[0011]第一步以翼型前缘处为分界线，将二维冰形分为上下两部分；
[0012]第二步沿上下表面分别搜索冰形离物面最远点，该两点即为上、下冰角点，搜索过程中对冰形每一个单元段进行内插值，分别计算各点离物面的距离；
[0013]第三步搜索上、下冰角点之间离物面最近处的点，该点即为驻点；
[0014]第四步根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上、下临界点为冰形上、下极限点；
[0015]②流线型冰的三个特征点为驻点、上极限点和下极限点，采用如下方法得到:
[0016]第一步搜索冰形离物面最远处的点，该点即为驻点；
[0017]第二步根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上、下临界点为冰形上、下极限点；
[0018](3)基于特征点位置的冰形简化过程
[0019]冰形简化过程是在维持原始冰形特征点位置不变的情况下，采用通过各特征点的B样条曲线代替原始冰形曲线的参数化描述方法，其过程为:
[0020]①冰形采用三次B样条曲线描述，B样条曲线由分段曲线组成，三次B样条曲线中4个控制点控制一段曲线，则一个N个控制点的B样条曲线的段数为(N-3)段;上、下极限点处的控制点取三重顶点，即三个重合的控制点的X、Y坐标值都对应取为该极限点的X、Y坐标值;驻点、上、下顶点处控制点应在一条直线上，取该顶点与翼型距离线的垂直方向，三个控制点之间的距离为一个小量，中间的控制点的坐标取为对应的顶点坐标;两个顶点之间的冰形曲线通过一段或多段曲线组成，对应的控制点可以根据冰形数据进行调整；
[0021]②调整上述B样条曲线中的各个参数使简化后的冰形曲线与原始冰形曲线的相似度达到最优，其过程作为一个以冰形相似度为目标函数的寻求最优或准最优方案的优化过程，寻找方法采用基因遗传算法或其它优化算法;所述的冰形相似度通过计算冰形差异率得到，所述的冰形差异率为两个冰形面积不重叠面积之和与两个冰形平均面积之比，冰形的相似度与冰形的差异率之和为100% ;
[0022 ]③上述优化后的B样条曲线即为简化后的冰形曲线。
[0023]本发明通过研究飞机结冰二维冰形的典型特征，提供一种冰形的简化方法，使冰模型加工更加便捷、简单，为飞机结冰研究、结冰风洞调试及冰风洞实验结果处理等领域研究提供技术支撑，具有较好的工程应用价值。
【附图说明】
[0024]图1典型角状型冰
[0025]图2典型流线型冰
[0026]图3原始冰形
[0027]图4简化前后冰形及控制点
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明创造的实施方式进行详细描述:一种冰形简化方法，其特征在于包括如下步骤:
[0029](I)确定冰形的类型
[0030]通过观察确定冰形是典型的流线型冰或角状型冰；
[0031](2)确定冰形的特征点
[0032]①角状型冰的五个特征点为上冰角点、下冰角点，驻点、上极限点和下极限点，采用如下方法得到:
[0033]第一步以翼型前缘处为分界线，将二维冰形分为上下两部分；
[0034]第二步沿上下表面分别搜索冰形离物面最远点，该两点即为上、下冰角点，搜索过程中对冰形每一个单元段进行内插值，分别计算各点离物面的距离；
[0035]第三步搜索上、下冰角点之间离物面最近处的点，该点即为驻点；
[0036]第四步根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上、下临界点为冰形上、下极限点；
[0037]②流线型冰的三个特征点为驻点、上极限点和下极限点，采用如下方法得到:
[0038]第一步搜索冰形离物面最远处的点，该点即为驻点；
[0039]第二步根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上、下临界点为冰形上、下极限点；
[0040](3)基于特征点位置的冰形简化过程
[0041 ]冰形简化过程是在维持原始冰形特征点位置不变的情况下，采用通过各特征点的B样条曲线代替原始冰形曲线的参数化描述方法，其过程为:
[0042]①冰形采用三次B样条曲线描述，B样条曲线由分段曲线组成，三次B样条曲线中4个控制点控制一段曲线，则一个N个控制点的B样条曲线的段数为(N-3)段;上、下极限点处的控制点取三重顶点，即三个重合的控制点的X、Y坐标值都对应取为该极限点的X、Y坐标值;驻点、上、下顶点处控制点应在一条直线上，取该顶点与翼型距离线的垂直方向，三个控制点之间的距离为一个小量，中间的控制点的坐标取为对应的顶点坐标;两个顶点之间的冰形曲线通过一段或多段曲线组成，对应的控制点可以根据冰形数据进行调整；
[0043]②调整上述B样条曲线中的各个参数使简化后的冰形曲线与原始冰形曲线的相似度达到最优，其过程作为一个以冰形相似度为目标函数的寻求最优或准最优方案的优化过程，寻找方法采用基因遗传算法或其它优化算法;所述的冰形相似度通过计算冰形差异率得到，所述的冰形差异率为两个冰形面积不重叠面积之和与两个冰形平均面积之比，冰形的相似度与冰形的差异率之和为100% ;
[0044]③上述优化后的B样条曲线即为简化后的冰形曲线。
【主权项】
1.一种冰形简化方法，其特征在于包括如下步骤: (1)确定冰形的类型 通过观察确定冰形是典型的流线型冰或角状型冰； (2)确定冰形的特征点 ①角状型冰的五个特征点为上冰角点、下冰角点，驻点、上极限点和下极限点，采用如下方法得到: 第一步以翼型前缘处为分界线，将二维冰形分为上下两部分； 第二步沿上下表面分别搜索冰形离物面最远点，该两点即为上、下冰角点，搜索过程中对冰形每一个单元段进行内插值，分别计算各点离物面的距离； 第三步搜索上、下冰角点之间离物面最近处的点，该点即为驻点； 第四步根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上、下临界点为冰形上、下极限点； ②流线型冰的三个特征点为驻点、上极限点和下极限点，采用如下方法得到: 第一步搜索冰形离物面最远处的点，该点即为驻点； 第二步根据带冰翼型数据和初始翼型数据进行搜索，不重合的部分即为冰形区域，冰形区域上、下临界点为冰形上、下极限点； (3)基于特征点位置的冰形简化过程 冰形简化过程是在维持原始冰形特征点位置不变的情况下，采用通过各特征点的B样条曲线代替原始冰形曲线的参数化描述方法，其过程为: ①冰形采用三次B样条曲线描述，B样条曲线由分段曲线组成，三次B样条曲线中4个控制点控制一段曲线，则一个N个控制点的B样条曲线的段数为(N-3)段;上、下极限点处的控制点取三重顶点，即三个重合的控制点的X、Y坐标值都对应取为该极限点的X、Y坐标值;驻点、上、下顶点处控制点应在一条直线上，取该顶点与翼型距离线的垂直方向，三个控制点之间的距离为一个小量，中间的控制点的坐标取为对应的顶点坐标;两个顶点之间的冰形曲线通过一段或多段曲线组成，对应的控制点可以根据冰形数据进行调整； ②调整上述B样条曲线中的各个参数使简化后的冰形曲线与原始冰形曲线的相似度达到最优，其过程作为一个以冰形相似度为目标函数的寻求最优或准最优方案的优化过程，寻找方法采用基因遗传算法或其它优化算法;所述的冰形相似度通过计算冰形差异率得至IJ，所述的冰形差异率为两个冰形面积不重叠面积之和与两个冰形平均面积之比，冰形的相似度与冰形的差异率之和为100% ; ③上述优化后的B样条曲线即为简化后的冰形曲线。
【文档编号】G06T17/30GK105869212SQ201610153144
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】周志宏, 易贤, 车竞, 王绍龙, 桂业伟, 郭民
【申请人】空气动力学国家重点实验室