一种飞机机舱内贴壁管路优化布局方法

1.本发明涉及飞机管路布局设计技术领域，尤其涉及一种飞机机舱内贴壁管路优化布局方法。


背景技术：

2.管路的布局设计和装配工作在复杂产品研发中占有相当大的比重，是一项繁杂而耗时的工作。管路的布局设计通常是在产品结构件设计的基础上进行的，在设计的过程中不仅要考虑管路功能性的连接，还需要根据管路所依附的结构件及布局空间确定合理的走向，同时需满足工艺、流阻、可靠性等方面的要求。任何一处不合理的管路设计都可能造成产品的质量问题，还可能引发一系列其他零部件的设计更改。在完成了管路布局设计后，管路的装配方案通常需经过反复试装和修改后确定。
3.计算机辅助管路布局设计软件通常以产品的三维模型为基础，通过人机交互方式完成管路的布局设计。然而，对于复杂产品中数量庞大的管路的布局设计工作而言，布局设计效率仍比较低，影响着产品的研发周期。同时，由于现有的管路布局辅助工具缺乏管路支撑约束的考虑，在管路装配过程中的许多问题很难在装配设计阶段发现，导致管路的装配返工多、可靠性差等问题。
4.目前，处理贴壁管路自动布局的方法主要包括两种，一是采用降维方法将三维模型转化为二维栅格地图模型或凸包等二维数学模型，而后在二维数学模型中进行路径规划，接着利用测地线或类测地线的方法将路径转化为三维贴壁路径，这种方法对于航空发动机等外形近似圆柱的物体较为有效，但由于飞机机舱内壁结构形状的特点上述方法难以适用；二是采用强约束方法，限制自动敷设算法的路径搜索范围，通过设置阈值的方式约束路径搜索范围必须接近机舱或船舱的内壁，这种方法极大的限制了路径搜索范围，在结构较为复杂的敷设空间中降低了路径搜索的成功率和效率。然而，在飞机管路系统设计打样协调阶段，管路自动布局的效率直接影响到整个飞机设计的进度。为此需要提出一种面向飞机机舱的兼顾设计效率和管路布局可行性的贴壁管路自动优化布局方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种飞机机舱内贴壁管路优化布局方法。
6.一种飞机机舱内贴壁管路优化布局方法，包括以下步骤：
7.步骤1：基于飞机机舱内部结构三维数模生成点云集a，基于飞机机舱内部所有成品、部件三维数模生成点云集b，设置待敷设管路的端点坐标、端点方向向量以及预设管路贴壁最小间隙和贴壁方向向量d；
8.步骤2：根据生成的点云集a和b内的坐标转化为用于路径规划的三维栅格地图m1，根据生成的点云集a内的坐标转化为用于计算管路支撑位置的三维栅格地图m2；
9.步骤2.1：根据公式(1)分别获取三维栅格地图m1，m2在x、y、z轴三个方向上的网格数量k：
10.k＝round(max{p
m1
,p
m2
}-min{p
m1
,p
m2
})/ψ+c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
11.式中，ψ为单个网格的大小与实际尺寸之间的比例，p
m1
为点云集a中的任意一点，p
m2
为点云集b中的任意一点，c为调整系数，round()为四舍五入运算函数；其中x、y、z分别为沿三维栅格地图长、宽、高方向设置的坐标轴；
12.步骤2.2：利用公式(2)依次计算点云集a中每个点在三维栅格地图m1中的三维栅格坐标利用公式(3)计算点云集b中每个点在三维栅格地图m2中的三维栅格坐标
[0013][0014][0015]
步骤2.3：若点云集a中的点坐标经比例转换后属于栅格地图m1或m2的某一单元格则将该单元格设置为1，否则设置为0；若点云集b中的点坐标经比例转换后属于栅格地图m1的某一单元格则将该单元格设置为2，否则设置为0；
[0016]
步骤3：根据三维栅格地图m1按路径最短为目标生成初始路径p0，根据跨距约束计算路径p0上的预选点ri并形成预选点坐标点集ri；
[0017]
步骤3.1：根据三维栅格地图m1按路径最短为目标生成初始路径p0，求解初始路径解时，采用蚁群算法获取路径最短初始解，具体表述为：
[0018]
针对三维栅格地图，采用蚁群算法获取初始路径p0，所述蚁群算法中以管路路径的总长作为适应度函数如下式所示：
[0019][0020]
式中，di为第i段管路的长度，n为管路的段数；
[0021]
步骤3.2：针对步骤3.1获得的路径初始解p0进行简化，只保留路径中转折位置的节点，获得简化路径；
[0022]
步骤3.3：针对步骤3.2获得的简化路径，随机从简化后的初始路径p0上选取点作为预选点ri，
[0023]
步骤3.4：计算相邻预选点的间距li，若所有相邻预选点的间距均小于管路贴壁点间距l
span
，则转到步骤3.5；否则，将预选点ri存储至集预选点集ri中并在大于预设管路贴壁点间距的区间内再次选择预选点r
i+1
；直至所有相邻预选点的间距均小于管路贴壁点间距l
span
；
[0024]
步骤3.5：输出预选点集ri；
[0025]
步骤4：针对预选点ri根据预设管路贴壁最小间隙和贴壁方向向量计算初始贴壁点si并形成初始贴壁点集si；
[0026]
步骤4.1：根据步骤3预选点集ri和贴壁方向向量d，依次从ri中取点ri为起点，以步长l延贴壁方向向量d做的射线，设经过m个步长，所述射线顶点与栅格地图m1的距离小于等于预设管路贴壁最小间隙，则停止步进并记当前点ri到射线顶点的距离为ei；
[0027]
步骤4.2：根据公式(5)计算贴壁点si的坐标；
[0028]
si＝ri+d*eiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0029]
步骤4.3：针对点集ri中所有点重复步骤4.1和4.2计算全部贴壁点，将全部贴壁点
组成形成初始贴壁点集si；
[0030]
步骤5：重复步骤3和步骤4生成一组贴壁点集，直到所有初始路径解都生成一组贴壁点集；
[0031]
步骤6：针对每个贴壁点集si与管路端点组成管路贴壁路径初始解pi，将全部初始解合并为一个初始种群；
[0032]
步骤6.1：针对一组贴壁点集中的每个贴壁点集si中的全部节点与管路端点组成贴壁管路初始路径，将全部贴壁管路初始路径合并为一组初始种群；
[0033]
步骤6.2：建立管路总长度及管路所有约束的惩罚值mk组成优化目标f(x)：
[0034]
f(x)＝ω1*f1(x)+ω2*f2(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0035]
其中，ω1,ω1为权重，f1(x)是管路路径总长按公式(4)计算，f2(x)是针对不符合约束的管路施加的惩罚因子，根据公式(7)计算，所述惩罚因子f2(x)表示为：
[0036][0037]
式中，gi(x)为每条管路路径对应个体所包含的第i个节点到机舱内壁最短距离jj超出预设管路贴壁最大或小间隙的长度，ui(x)是每条管路的几何可行度，即贴壁管路路径所包含的任一点与m1或m2发生干涉的次数的总和，m为节点总数；
[0038]
步骤7：根据优化目标f(x)对初始种群进行排序，对不符合管路约束的个体对应的适应度施加惩罚值；根据种群排序结果对种群进行速度匹配、更新、排序获得新种群，通过κ次迭代获得最优管路路径p
best
，t为预设的最大迭代次数；根据最优管路路径p
best
，生成管路贴壁敷设的最优布局方案；
[0039]
步骤7.1：根据公式(6)计算初始种群中每个个体的适应度f(x)，并对适应度值由低到高进行排序；
[0040]
步骤7.2：根据步骤7.1的排序结果找到当前个体极值和全局最优解，即当前最优解g
best
和全部个体的最优解p
best
；
[0041]
步骤7.3：根据个体极值和全局最优解采用粒子群优化算法中的个体更新公式(8)调整个体中端点除外的每个节点的位置；
[0042][0043][0044]
其中，表示κ次迭代中第i个个体，是计算第i个体在k+1时刻位置的值，按公式(9)计算c1,r1,c2,r2为调整系数；
[0045]
步骤7.4：重复步骤7.1-7.3执行t次迭代运算，将适应度值取最小值时所对应的个体组合作为最优管路路径。
[0046]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0047]
本发明提供一种飞机机舱内贴壁管路优化布局方法，与传统的管路布局方法有着本质的区别，该方法能够高效处理敷设空间较大情况下的贴壁管路自动敷设问题，在考虑管路贴壁约束、管路路径的几何可行性的同时兼顾敷设效率，更符合工程实际的需要，采用蚁群算法计算最短可行路径并计算贴壁点，之后运用粒子群算法获取贴壁路径的优化解，该方法极大的提高了飞机机舱内贴壁管路敷设的管路路径规划效率与优化解质量。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例中飞机机舱内贴壁管路优化布局方法流程图；
[0049]
图2为本发明实施例中生成预选点集的算法流程图；
[0050]
图3为本发明实施例中贴壁管路初始路径生成示意图；
[0051]
其中，图(a)-初始路径生成示意图，图(b)-预选点生成示意图，图(c)-贴壁点生成示意图，图(d)-初始路径生成示意图；
[0052]
图4为本发明实施例中最优路径通过siemens nx软件生成的可视化结果图；
[0053]
图中，1-导管起点，2-贴壁导管路径，3-飞机油箱内壁，4-飞机油箱内部成品，5-导管终点。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0055]
一种飞机机舱内贴壁管路优化布局方法，本实施例中如图1所示，根据飞机油箱的实体结构利用三维绘图软件(例如siemens nx软件)建立三维模型，然后利用geomagic wrap软件生成飞机油箱三维模型的点云信息，利用matlab软件将三维点云数据转换为三维栅格地图，运用蚁群算法获取初始的路径，在此基础上计算贴壁点集，接着采用粒子群算法将所有贴壁点集形成的管路路径作为初始种群，之后根据预先设计的适用度函数对初始种群排序，按照此顺序依次对种群中的个体极值和全局最优解调整个体中每个节点的速度和位置方式进行迭代更新完成贴壁管路布局优化过程。具体包括以下步骤：
[0056]
步骤1：基于飞机机舱内部结构三维数模生成点云集a，基于飞机机舱内部所有成品、部件三维数模生成点云集b，设置待敷设管路的端点坐标、端点方向向量以及预设管路贴壁最小间隙和贴壁方向向量d；
[0057]
步骤2：根据生成的点云集a和b内的坐标转化为用于路径规划的三维栅格地图m1，根据生成的点云集a内的坐标转化为用于计算管路支撑位置的三维栅格地图m2；
[0058]
步骤2.1：根据公式(1)分别获取三维栅格地图m1，m2在x、y、z轴三个方向上的网格数量k：
[0059]
k＝round(max{p
m1
,p
m2
}-min{p
m1
,p
m2
})/ψ+c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
式中，ψ为单个网格的大小与实际尺寸之间的比例，p
m1
为点云集a中的任意一点，p
m2
为点云集b中的任意一点，c为调整系数，round()为四舍五入运算函数；其中x、y、z分别为沿三维栅格地图长、宽、高方向设置的坐标轴；
[0061]
步骤2.2：利用公式(2)依次计算点云集a中每个点在三维栅格地图m1中的三维栅格坐标利用公式(3)计算点云集b中每个点在三维栅格地图m2中的三维栅格坐标
[0062][0063][0064]
步骤2.3：若点云集a中的点坐标经比例转换后属于栅格地图m1或m2的某一单元格则将该单元格设置为1，否则设置为0；若点云集b中的点坐标经比例转换后属于栅格地图m1
的某一单元格则将该单元格设置为2，否则设置为0；
[0065]
步骤3：根据三维栅格地图m1按路径最短为目标生成初始路径p0，根据跨距约束计算路径p0上的预选点ri并形成预选点坐标点集ri；
[0066]
步骤3.1：如图3(a)所示，根据三维栅格地图m1按路径最短为目标生成初始路径p0，求解初始路径解时，采用蚁群算法获取路径最短初始解，具体表述为：
[0067]
针对三维栅格地图，采用蚁群算法获取初始路径p0，所述蚁群算法中以管路路径的总长作为适应度函数如下式所示：
[0068][0069]
式中，di为第i段管路的长度，n为管路的段数；
[0070]
步骤3.2：针对步骤3.1获得的路径初始解p0进行简化，只保留路径中转折位置的节点，获得简化路径；
[0071]
步骤3.3：如图3(b)所示，针对步骤3.2获得的简化路径，随机从简化后的初始路径p0上选取点作为预选点ri，
[0072]
步骤3.4：计算相邻预选点的间距li，若所有相邻预选点的间距均小于管路贴壁点间距l
span
，则转到步骤3.5；否则，将预选点ri存储至集预选点集ri中并在大于预设管路贴壁点间距的区间内再次选择预选点r
i+1
；直至所有相邻预选点的间距均小于管路贴壁点间距l
span
；在本实例中管路贴壁点间距l
span
＝100；
[0073]
步骤3.5：输出预选点集ri；
[0074]
步骤4：针对预选点ri根据预设管路贴壁最小间隙和贴壁方向向量计算初始贴壁点si并形成初始贴壁点集si；
[0075]
步骤4.1：如图3(c)所示，根据步骤3预选点集ri和贴壁方向向量d，依次从ri中取点ri为起点，以步长l延贴壁方向向量d做的射线，设经过m个步长，所述射线顶点与栅格地图m1的距离小于等于预设管路贴壁最小间隙，则停止步进并记当前点ri到射线顶点的距离为ei；在本实例中设d＝[0,0,1]，即+z方向，步长l＝1；
[0076]
步骤4.2：根据公式(5)计算贴壁点si的坐标；
[0077]
si＝ri+d*eiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0078]
步骤4.3：针对点集ri中所有点重复步骤4.1和4.2计算全部贴壁点，将全部贴壁点组成形成初始贴壁点集si；
[0079]
步骤5：重复步骤3和步骤4生成一组贴壁点集，直到所有初始路径解都生成一组贴壁点集，如图2所示；
[0080]
步骤6：针对每个贴壁点集si与管路端点组成管路贴壁路径初始解pi，将全部初始解合并为一个初始种群；
[0081]
步骤6.1：如图3(d)所示，针对一组贴壁点集中的每个贴壁点集si中的全部节点与管路端点组成贴壁管路初始路径，将全部贴壁管路初始路径合并为一组初始种群；
[0082]
步骤6.2：建立管路总长度及管路所有约束的惩罚值mk组成优化目标f(x)：
[0083]
f(x)＝ω1*f1(x)+ω2*f2(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0084]
其中，ω1,ω1为权重，f1(x)是管路路径总长按公式(4)计算，f2(x)是针对不符合约束的管路施加的惩罚因子，根据公式(7)计算，所述惩罚因子f2(x)表示为：
[0085][0086]
式中，gi(x)为每条管路路径对应个体所包含的第i个节点到机舱内壁最短距离jj超出预设管路贴壁最大或小间隙的长度，ui(x)是每条管路的几何可行度，即贴壁管路路径所包含的任一点与m1或m2发生干涉的次数的总和，m为节点总数；
[0087]
步骤7：根据优化目标f(x)对初始种群进行排序，对不符合管路约束的个体对应的适应度施加惩罚值；根据种群排序结果对种群进行速度匹配、更新、排序获得新种群，通过κ次迭代获得最优管路路径p
best
，t为预设的最大迭代次数；本实例预设的最大迭代次数t＝300为预设的最大迭代次数；根据最优管路路径p
best
，生成管路贴壁敷设的最优布局方案；
[0088]
步骤7.1：根据公式(6)计算初始种群中每个个体的适应度f(x)，并对适应度值由低到高进行排序；
[0089]
步骤7.2：根据步骤7.1的排序结果找到当前个体极值和全局最优解，即当前最优解g
best
和全部个体的最优解p
best
；
[0090]
步骤7.3：根据个体极值和全局最优解采用粒子群优化算法中的个体更新公式(8)调整个体中端点除外的每个节点的位置；
[0091][0092][0093]
其中，表示κ次迭代中第i个个体，是计算第i个体在k+1时刻位置的值，按公式(9)计算c1,r1,c2,r2为调整系数；
[0094]
步骤7.4：重复步骤7.1-7.3执行t次迭代运算，将适应度值取最小值时所对应的个体组合作为最优管路路径，如图4所示展示了采用本发明方法的实施结果。
[0095]
根据最优管路路径在机舱内壁生成三维模型，作为飞机机舱内贴壁管路优化布局的最佳路径方案，指导飞机贴壁管路的布局设计。本发明与传统的管路布局方法有着本质的区别，该方法能够高效处理敷设空间较大情况下的贴壁管路自动敷设问题，在考虑管路贴壁约束、管路路径的几何可行性的同时兼顾敷设效率，更符合工程实际的需要，采用蚁群算法计算最短可行路径并计算贴壁点，之后运用粒子群算法获取贴壁路径的优化解，该方法极大的提高了飞机机舱内贴壁管路敷设的管路路径规划效率与优化解质量。
[0096]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。