航天器结构变形几何重构技术研究

杨全欧 李志辉* 秦远田 柳治辉

(1.中国空气动力研究与发展中心, 绵阳 621000; 2.北京航空航天大学国家计算流体力学实验室, 北京 100191;3.南京航空航天大学航天学院, 南京 210016)

1 引言

针对飞行任务开展安全性评估工作,直接或间接影响空间站平台及载荷安全的相关产品开展适乘性及载荷安全性认证工作,需要确保上站产品的安全性[1],多场耦合力学计算是安全理论分析的必经之路,其中的耦合问题是难点所在。

航天器飞行过程会受到各种载荷作用发生变形,由于无法无缝处理流-固-热之间的相互作用,目前的预测能力会受到限制[2]。 采用浸没边界-格子Boltzmann 方法模拟流-固耦合的运用较为广泛,是处理独立的流体和固体解的耦合方式[3-5],但是两者之间的信息交换效率有待提高,而且存在非物理效应的可能。 Faizal 等[6]采用ANSYS Workbench 模拟梁在气流作用下的动态行为,但气流工况采用的是恒速,未能实现在变流程作用下的流-固耦合仿真。 当使用不同的方程和算法求解流-固-热耦合问题时,需要在界面上保持一致性,从而解决耦合的重要问题[7]。 将三维点云数据用于几何的拟合,可以实现界面变形的及时更新,使3D 数据处理中的许多下游应用成为可能[8-9]。

杜梁杰[10]针对基于局部特征描述子的简化展开研究,并用于目标识别,分析了点云算法过程中的关键技术,如模型库的构建、点云分割、特征提取与描述、特征匹配等,并通过实验对比分析验证。 刘迎[11]提出了点云特征提取的自适应精简算法,对点云精简速度、简度、精度三方面实现了综合评价,提出平面拟合和球体拟合组合法进行精度验证,并进行相关实验评定了精简精度。 丁承君等[12]采用基于随机采样算法可寻找种子点确定平面,进而应用平面分割找出平面上的目标区域,并计算k 邻域点的法线夹角,若大于阈值则为边界特征点,作为点云边界识别的一种常用方法。

本文以几何模型为研究对象,在固体力学计算后,其变形结果难以直接运用于下一步长的力学计算。 需要将该结果转换为新的几何模型,该过程被称为几何重构,重构得到的模型可运用于下一步长的流体力学或固体力学计算。 本文还提出基于点云库(Point Cloud Library, PCL)的几何重构思想,类似于逆向工程,可建立适于航天器结构变形几何重构技术,将该模块融合到流体力学计算与固热耦合计算的程序当中,最终实现连续时间上流-固-热耦合的计算。 本文采用工程软件实现了结构变形的几何重构,依次进行变形结果转换导出、曲面修复及壳体实体化等步骤,并在航天员出舱牵引系统上进行应用,该方法可以对简单流固耦合算法进行验证。

2 工程软件几何重构的实现

本文研究的核心问题是实现结构受力变形后的几何重构,最终形成固体力学与流体力学计算的桥梁。 其实施框架如图1 所示。

图1 几何重构所在环节Fig.1 The link of geometric reconstruction

采用工程软件可以实现简单模型的几何重构,因几何重构带有逆向工程的性质,基于几何模型的拟合算法一般比较复杂,不规则形体的几何体重构难度较大,目前没有工程软件能很好地对固体力学的变形结果进行几何重构。 在此以工程软件为工具,灵活运用其中的相关细节功能,为几何重构的基础研究进行服务。

采用 ANSYS Workbench 软件中的 Static Structural 模块进行静力学分析,可同时实现几何模型的建立、结构有限元网格的划分、静力学计算以及结果后处理。

Creo 作为专业的3D 绘图软件,既可以进行原始模型的绘制,也可以对几何模型进行细节分析,其中的实体化操作可将闭合曲面形成实体。

CADfix 可提供快速而全面的NURBS 曲面修复功能,实现在不同的CAD/CAM/CAE 之间的最大限度的数据无损交换。 可作为Workbench 导出模型的辅助工具,修复部分破损曲面。

对于一次性拉伸所得到的平板模型,可在Workbench 基础上再结合Creo、CADfix 的优势进行几何重构。 该方法可适用于大多数平板模型,但对不规则的曲面造型难以适用。

2.1 Workbench 独立实现变形几何重构

采用ANSYS Workbench18 版本,该版本具备结果文件的实体生成功能。 根据图1 的流程对几何体进行静力学分析,可得变形后的几何文件,该结果将模型更新后传递到到FEM(Finite Element Modeler)模块中,如图2 所示。

图2 Workbench 实现实体生成Fig.2 Workbench entity generation

FEM 中操作的树结构如图3 所示,首先用Skin Detection Tool 生成蒙皮,在几何综合(Geometry Synthesis)中插入初始几何体(Initial Geometry),通过几何转换(Convert to Parasolid)获得Parasolid 格式(Parasolid Geometry),此时得到的各个面是独立的,需要再添加缝合工具(Add a Sew Tool)对面组进行缝合,使得Parasolid Geometry 形成封闭结构,最终导出(Export to a Parasolid File)获得变形后的实体模型。

图3 Workbench 实体化树结构Fig.3 Workbench materialized tree structure

采用平板模型进行几何重构,如图4(a)所示。 在受力变形后,得到了如图4(b)所示的形态,在几何更新后,便可通过FEM 对此进行实体化操作。

图5(a)为图4(b)平板实体化后的模型,为了验证该变形实体的有效性,对此实体进行受力加载,再次变形的结果如图5(b)所示,说明了变形几何实体化可为下一步的力学计算服务。

图4 平板初次变形Fig.4 Deformation of the plate for the first time

图5 变形实体的再次受力变形Fig.5 Re-deformation of deformed entity under force

2.2 工程软件联合实现变形几何重构

根据图2 的Static Structural 模块可对平板进行受力分析,将变形结果直接导出为Parasolid 格式,再导入到CADfix 中进行修复,最后导入到Creo 中进行实体化处理,即可得到实体的变形模型。 联合实现变形各个环节如图6～8 所示。

图6 带孔平板Fig.6 Plate with holes

图7 在CADfix 中对面组进行修复Fig.7 Faces repaired in CADfix

图8 带孔板的不同状态Fig.8 Different states of plates with holes

通过Workbench、CADfix、Creo 依次进行结构变形、曲面缝合和实体化操作,可以实现带孔平板的几何重构,若要对更为复杂的形体进行几何重构,在Workbench 中导出时容易发生几何错误,难以满足在各种复杂形体下的运用,但对于简单几何体研究具有一定的对比价值。 如要作为流-固-热耦合的中间桥梁,需要采取更深层次的方法进行研究,基于计算机图形学的PCL,可以处理3D数据点云而实现几何重构。

3 基于PCL 的几何重构

PCL 可实现大量点云相关的通用算法和高效数据结构,涉及到点云获取、滤波、分割、配准、检索、特征提取、识别、追踪、曲面重建、可视化等[13]。 基于PCL 进行几何重构,相对于工程软件,是一种更为高效的重构方式。 可将PCL 几何重构的代码融合到现有的流体力学计算与固热耦合计算程序当中,实现连续时间上流-固-热耦合的计算程序,将极大提高耦合计算效率。

通过有限元方法,可以计算出航天器结构受力的变形结果,该结果中含有航天器变形后的网格数据信息,其中含有各个节点的坐标值,以此形成点云。 针对庞大的数据点云信息,可以通过PCL 库进行操作,该过程类似于机械制造中的逆向工程。 基于PCL 库的变形几何重构,依次需要进行边界识别、曲面拟合、面组缝合以及实体生成等过程。

3.1 边界识别

在点云处理的过程中,首先需要分辨出体内与体外,即对实体所在的边界进行识别。 例如原始变形模型如图9 所示,该图球体原本是一个规则球体,在热力耦合作用下发生了变形。 将该变形结果中的点进行提取,便得到如图10 所示的点云集合,各个点分布在三维空间中。

图9 热力响应变形后的结果Fig.9 Results of thermal response deformation

图10 在变形结果中提取出的点云Fig.10 Extracted point cloud from deformation results

点云数据的边界提取含有平面点云提取与空间点云提取2 种方式。 平面点云的边界特征提取常用方法有经纬线扫描法、网格划分法、角度-弦高联合法等;空间点云的边界特征提取有基于曲率和基于切平面这2 种方法[14],对于航天器结构几何重构运用的是空间点云提取,部分方法需由二维拓展到三维。

3.2 曲面拟合

曲面拟合是将点云中已经分辨出的边界点拟合成曲面的过程,通常基于最小二乘法实现曲面拟合。 曾清红等[15]开发了一种移动最小二乘法,为点云数据处理提供了新方法,使生成的曲线、曲面精度高、光滑性好。 刘俊焱等[16]采用正交最小二乘法和移动最小二乘法对曲面进行拟合,点云数据较大或曲面变化很大时,移动最小二乘法可以有效拟合树叶曲面,并且得到了较高精度的结果。

3.3 面组缝合

在面组的拟合过程中,所得到的面与面之间是独立的,非闭合面会对实体化操作带来较大的困难,导致计算量呈指数增大,因此需要将所有的面修补成完整的闭合曲面。 通常会出现未闭合或较大的缝隙,如图11(a)所示,则需要对中间部分进行补充,将2 个面相连于同一条边;存在面与面交叉的情况,如图11(b)所示,实体化操作通常保证封闭曲面即可,但相交出来的面会造成冗余。当相交的面较为复杂时,会对封闭曲面的识别造成影响,因此需要对相交曲面进行修剪。 通过对相连面之间的缺陷进行处理,即可得到2 个面之间的完全闭合状态,如图11(c)所示。 依次对每个面的相连面进行查找与修复,最终可得到完整的闭合曲面。

图11 两个表面连接的3 种状态Fig.11 Three states for two surfaces to be connected

3.4 实体生成

本文研究的内容从点、线、面逐渐过渡到体,最终获得可以进行工程运用的实体结构。 面组成的壳体结构如图12(a)所示,虽具有结构体的外形,但内部中空,难以生成固体力学计算所需要的有限元体网格。 实体化是将封闭面组生成实体的过程,实体化的结果如图12(b)所示。

图12 几何图形的两种状态Fig.12 Two states of the geometry

实体化的几何模型可以进行结构网格划分,为进一步力学计算提供了新的模型,是流-固-热耦合力学中的中间桥梁,起到了计算过程中几何模型实时更新的作用。

4 几何重构在航天员出舱牵引系统中应用

4.1 航天员出舱牵引系统

航天员出舱牵引系统[17]针对航天员太空行走安全和便捷性而设计,是航天员舱外作业的辅助装置。 该系统含有舱外导轨、牵引盘、搭接桥及牵引绳等4 个部分,如图13 所示。

图13 航天员采用牵引系统的出舱示意图Fig.13 Schematic diagram of the astronaut using the traction system to exit the cabin

牵引绳连接于航天员与牵引盘之间,牵引盘运动在舱外导轨中,可沿导轨方向自由滑动,舱外导轨固定在舱体表面,航天器对接舱段之间的导轨采用搭接桥形式进行连接。 航天员通过攀爬扶手在舱体表面进行运动,由此实现航天员在多个舱段表面进行作业,根据导轨的部署能够接触舱体相应位置的大部分外表面。

4.2 牵引系统中导轨的几何重构

导轨是牵引系统中的主要承力结构,是航天员出舱过程中不脱离空间站的安全保障,形状如图14(a)所示,以此将本文所研究的航天器变形几何重构方法在导轨上进行应用,使得有限元网格在变形后经处理能够达到再次力学分析的目的。

图14 牵引系统导轨的几何重构流程及其应用图示Fig.14 Geometric reconstruction process of the guide rail in the traction system and its application diagram

以工程软件联合实现导轨变形几何重构。 采用Workbench 进行受力分析,导轨模型长、宽、高分别为1000 mm×170 mm×90 mm,赋予铝合金的材料属性。 固定导轨的一端面,在另一端面添加载荷,沿z轴正向,如图14(a)所示。 变形后的结果如图14(b)所示。 导轨发生变形之后,通过FEM 模块生成面组,并导入到CADfix 中进行面组修复,形成的封闭壳体结构如图14(c)所示。将生成的壳体采用Creo 进行实体化处理,其结果如图14(d)所示。 将生成的实体再次导入到Workbench 中进行受力加载,固定端与首次分析位置相同,载荷方向沿x轴正方形,如图14(e)所示。 再次发生变形的结果如图14(f)所示。

由此说明通过航天器结构变形几何重构获得的模型具备再次进行网格划分的特性。 服役期满航天器再入过程,会受到外部力热环境作用发生变形,会影响气动力热,引起飞行航迹变化。 预测这类高超声速飞行器的气动载荷和气动热效应,是典型的流-固-热耦合问题,需使用不同的方程和算法求解该问题,重点是在耦合界面上保持一致性,几何重构可以解决该问题,连续几何重构能达到连续耦合计算的目的,且在烧蚀后退、多项工程研究方向也有较大应用前景。

5 结论

本文采用工程软件实现了结构模型受力变形后的几何重构,可作为新模型进行下一时间段的力学计算。 结论如下:

1)通过Workbench 可独立完成对无内孔规则平板的变形几何重构。 Workbench、CADfix、Creo 等工程软件的联合运用,弥补了Workbench难以对复杂面组进行缝补的问题,可实现对带孔平板受力变形后的几何重构。 工程软件方法的局限性在于难以对不规则曲面模型进行几何重构。

2)基于计算机图形学PCL 的研究,可以对复杂曲面模型进行重构。 实现几何重构涉及到离散点的拓扑关系和曲面拟合算法,本文提出了新的基于PCL 的结构变形几何重构思路,可实现流体力学与固热耦合力学间的精确衔接与应用扩展。

3)通过工程软件联合,成功实现航天员出舱牵引系统中导轨的变形几何重构,可沿用至多场耦合中界面一致性的保持,体现了几何重构方法具有解决复杂力学耦合问题的现实意义。