关键词:
概念设计
三维参数化建模
网格生成
立体光刻技术
可视交互系统
摘要:
运载火箭外形的参数化建模是概念设计阶段重要的前置工作,合适的外形对运载火箭整体气动性能、设计效率和成本等方面具有重要影响。然而,运载火箭三维参数化理论尚不成熟,且大量火箭设计与仿真工具的接口异构性显著。因此,如何高效、准确地对火箭进行三维参数化建模,并实现设计与仿真工具的兼容已成为当前火箭设计领域的重要研究课题之一。针对运载火箭概念设计中的三维参数化建模和后处理过程的问题,本文对三维参数化建模、网格生成与质量检测,以及立体光刻(Stereolithography,STL)技术进行了研究,提出了火箭三维参数化方法、网格生成与质量检测方法、以及STL模型生成与拓扑重建方法,并取得了较好的成果。具体研究内容如下:首先,本文针对概念设计阶段快速、精确生成火箭外形的需求,提出了一种分段式运载火箭三维参数化建模方法。通过将二次曲线方法应用于三维空间中,对火箭的三维外形进行分段生成,兼顾多种类型的截面曲线,实现了火箭三维外形的快速生成与灵活调整。该方法为网格生成等后续工作提供了准确的几何信息。实验证明了该方法相较于其他主流参数化方法具有更高的效率。其次,本文针对STL模型生成与气动力特性分析等后续工作的需求,提出了一种高效的网格生成与质量检测方法。通过半自动化的网格生成算法,可根据设计需求分段调整火箭表面网格的网格密度,质量检测方法可确保火箭表面网格的质量满足设计要求。该方法为后续STL模型生成等工作提供了可靠的基础。实验证明了该方法生成的网格质量基本满足现行国家标准。接着,本文针对运载火箭设计与仿真工具信息交换困难的问题,提出了一种基于STL模型生成与拓扑重建的方法。通过将网格生成得到的几何信息转换为标准格式的STL模型,实现了与其他工程软件的兼容与数据交换。同时,拓扑重建方法简化了模型的存储容量,并提高了模型的准确性和完整性,便于进行其他分析工作。实验证明了该方法的有效性。最后,为了提高设计人员的工作效率和降低设计成本,本文基于前面的研究工作,设计与实现了一套可视交互系统。该系统提供了三维外形生成、表面网格生成、网格质量检测、STL模型生成与STL模型拓扑重建等功能,同时,基于Py Qt框架开发,实现了良好的兼容性和友好的交互方式。本文对该系统进行了测试,测试结果表明,该系统各个功能模块运作正常、操作界面友好,满足预期设计目标。