一种FOD损伤的三维实体建模方法与流程

本发明属于fod缺口研究技术领域，特别涉及一种能够准确表征fod损伤三维轮廓特征的实体建模方法。

背景技术

航空发动机在服役过程中，因工作环境的限制，不可避免会将空气中的一些硬物(如砂石、金属碎屑等)吸入发动机内，从而对发动机内部的部件造成一定冲击，产生材料损伤，这种冲击损伤则被称之为外物损伤(foreignobjectdamage，以下简称fod)。

由于航空发动机的fod事件无法完全避免或预防，因此发动机的风扇/压气机叶片在设计过程中，需要确保风扇/压气机叶片具有在fod发生后依旧正常工作的能力，即抗fod能力。并且，由于fod事件发生频繁，风扇/压气机叶片常常需要进行维修、更换，否则将有可能导致重大的飞行事故，但这也相对地提高了发动机的维护成本。因此，为了能够保证叶片的抗fod能力，降低发动机的维修成本，需针对fod损伤开展大量相关方面的研究和分析，从而深入地认识和把握fod损伤对发动机工作状态的影响机理，而研究分析fod损伤的重要基础之一是建立准确的fod损伤实体模型。

但由于在冲击过程中，冲击硬物的形状不规则，冲击位置随机，从而致使fod损伤的形状复杂多样，难以用简单的几何来表征，即使在实验室中，用形状规则的球体来获取fod的模拟损伤，其损伤表面轮廓依旧参差不齐。并且，由于三维特性的原因，fod损伤在形貌的描述和测量方面存在着相当大的困难及问题。在光学显微镜下，仅能观测fod损伤表面的大致轮廓和形状，无法精确观测其损伤底部的形貌，从而致使测量结果较为单一、粗略，不利于后续fod模型的建立和分析，也不满足实际的工程需求。

目前，现有技术中尚无能够准确构建fod损伤的实体建模方法。

技术实现要素：

本发明针对fod损伤形貌观测困难的问题，本发明的目的是提出一种fod损伤的三维实体建模方法，依据本发明所建的实体模型能够准确地表征fod损伤的几何轮廓和形貌特征。

一种fod损伤的三维实体建模方法，包括以下步骤：

(1)通过扫描试件的真实fod损伤，获取fod损伤表面及附近区域的点云数据；

(2)从步骤(1)得到的点云数据中取点，获取fod损伤表面及附近区域的大量点的绝对坐标值；

(3)对步骤(2)所得到的点的坐标值开展拟合优化，构建fod损伤表面的三维轮廓云图；

(4)基于拟合优化的点集坐标数据，构建样条曲线，并以此为基础拟合fod损伤的轮廓表面；

(5)对所构建的fod损伤表面开展缝合处理，构建fod损伤的三维实体模型。

所述步骤(1)中，通过结构光扫描仪对fod损伤表面及附近的区域开展单幅扫描，扫描精度为0.01mm。

所述步骤(2)中，在步骤(1)得到的点云数据上取点，所取点的间隔为0.05mm。

所述步骤(3)中，对步骤(2)中所取得的各点的坐标数据进行处理，使得整体坐标的最小值为零，以便模型的构建和观测。

所述步骤(3)中，对步骤(2)中所取得的各点，利用插值拟合的优化方式，平滑各点之间的连接。

所述步骤(3)中，基于拟合优化后的点集坐标数据，通过三维制图软件来构建fod损伤轮廓的三维形貌云图。

所述步骤(4)中，拟合优化的坐标数据所构建的样条曲线的阶数取2或3，分段数取50。

所述步骤(5)中，以损伤表面的边缘轮廓为基准，开展曲面缝合构建实体，缝合公差为0.001mm。

有益效果：本发明创建了一种fod损伤三维实体的建模方法，能够准确地表征真实fod损伤的几何轮廓和形貌特征，为后续fod的相关研究提供了重要的基础。与现有技术相比，具有以下优点：

(1)建立了直观的fod损伤的三维形貌尺寸云图；

(2)建立了能准确表征真实fod损伤形貌特征的三维实体模型，为后续相关的研究计算提供了基础。

附图说明

图1是实施例中的tc4前缘模拟损伤试件实物图；

图2是实施例中的结构光扫描封装结果图；

图3是实施例中的fod损伤表面的取点示意图；

图4是实施例中的fod缺口型损伤的三维形貌云图；

图5是实施例中的fod损伤缺口a的表面轮廓对比图；

图6是实施例中的fod损伤缺口b的表面轮廓对比图；

图7是实施例中的fod损伤形貌的样条曲线；

图8是实施例中的fod损伤形貌的拟合轮廓表面；

图9是实施例中的fod损伤试件的实体模型。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例

本实施例以一根带有前缘特征的tc4钛合金fod损伤试件为例，如图1，试件两侧各存在着一个fod缺口型损伤，分别记为缺口a，缺口b，均是在实验室中由直径3mm的钢珠冲击产生。

fod损伤的三维实体建模方法包括以下步骤：

(1)通过扫描上述试件真实的fod损伤，获取损伤表面及附近区域的点云数据。

通过结构光扫描仪，对fod缺口型损伤表面及附近的区域开展单幅扫描，扫描精度约为0.01mm，并将扫描所获点云进行封装处理，导出stl文件，扫描后的封装结果如图2所示。

(2)从步骤(1)得到的点云数据中取点，获取fod损伤表面及附近区域的大量点的绝对坐标值。

由于对stl文件的处理手段有限，倘若在其基础上，直接构建fod损伤试件的实体模型，很难对fod损伤表面及附近的区域进行加密处理，从而导致无法准确地表征fod损伤的形貌特征，因此通过取点拟合的方式，重新构建fod损伤的表面轮廓。

如图3所示，在fod损伤表面及其附近区域进行取点，各点的间隔取0.05mm，间隔的选取既保证了精度的要求，又考虑了实体建模的效率。

(3)对采集点的坐标值开展拟合优化，构建fod损伤表面的三维轮廓云图。

选用matlab程序来实现点集处理和形貌图的构建，通过matlab自编程序，依据点集各轴坐标的最小值分别对各点的坐标进行处理，使得整体坐标的最小值点为原点，便于后续模型的构建和观测。之后，以插值拟合的优化方式，平滑各坐标点之间的连接，构建fod缺口型损伤(缺口a，缺口b)的三维尺寸云图，如图4所示。

将所构建的fod损伤三维云图与光学显微镜下的实物拍摄照片进行对比，如图5、6所示，从两者之间的对比可以明显看出，所构建的fod三维形貌与真实fod损伤的轮廓基本一致，说明拟合后的坐标数据能够准确表征fod损伤的形貌特征。

(4)基于拟合优化的点集坐标数据，构建样条曲线，并以此为基础拟合fod损伤的轮廓表面。

依据拟合优化后的点集坐标数，构建多个样条曲线，曲线阶数取2，分段数取50，如图7所示。以所构建的多个样条曲线为基础，拟合曲面，即fod损伤的轮廓表面，如图8所示。

(5)对所构建的fod损伤表面开展缝合处理，构建fod损伤的三维实体模型。

以拟合曲面的边缘轮廓为基础，构建片体并开展缝合处理，缝合公差定为0.001mm。通过拉伸、修剪等操作，构建fod损伤试件的三维实体模型，如图9所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。