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专利号: 2022110783765
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成方法,其特征在于,具体包括以下步骤:步骤1、寻找B样条曲线对型值点进行拟合,以最小二乘形式对除首尾端点外的剩余数据点进行拟合,并求解控制点变量,从而得到任一半径处拟合的B样条桨叶切面曲线;

步骤2、通过定义宽度比例因子、厚度比例因子、偏移因子进行相应的控制点坐标的转换,经过坐标转换公式计算出新的控制点坐标,采用定义的局部和全局参数化变量对各个桨叶切面的控制点进行操控,实现螺旋桨桨叶外形的参数化变形;

步骤3、计算叶面和叶背曲面网格上的控制点、节点矢量U和节点矢量V,生成螺旋桨的叶面和叶背曲面,并给出相应的数学表达式;

步骤4、计算叶根和叶顶曲面网格上的控制点、节点矢量U和节点矢量V,生成螺旋桨的叶根和叶顶曲面,并给出相应的数学表达式;

步骤5、结合提出的桨叶参数化方法和桨叶曲面生成方法,通过语言Python对整个过程进行编程,实现螺旋桨桨叶的参数化及曲面自动生成;

所述步骤1中B样条曲线表述为如下的数学表达式:

式中,Pi是曲线的控制点,Ni,p(u)是定义在曲线节点矢量U(m+1)上的p阶B样条基函数,a=0,b=1,阶数p、控制点个数n+1和节点个数m+1满足关系:m=n+p+1;

所述步骤1的具体流程如下:

(1)设{Qk(xk,yk,zk)|0≤k≤l}为初始螺旋桨桨叶伸张轮廓某一半径rj处的l+1个二维叶切面型值点,且以叶切面随边为起止点在叶切面曲线上依序排列;

(2)寻找B样条曲线对型值点{Qk(xk,yk,zk)|0≤k≤l}进行拟合,且满足条件:Q0=C(0),Ql=C(1),对与除首尾端点外的剩余数据点Qk,以最小二乘形式进行逼近,并求解n+1个控制点变量Pi使误差达到最小,具体表达式为:w.r.t.Pi

式中, 是每一个型值点Qk对应的参数值,采用向心参数化方法确定 表达式具体描述为:

(3)按如下的方法选定节点矢量U(m+1):

求解最小二乘问题转变为求解如下的含(n‑1)个未知量的线性方程组:T

(NN)P=R

式中,N是由标量组成的(m‑1)×(n‑1)矩阵,R是由n‑1个点组成的列向量,求解该线性方程组即可得到半径ri处拟合的B样条桨叶切面曲线。

2.根据权利要求1所述的基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成方法,其特征在于,所述步骤2中,设定x方向为叶切面的宽度方向、y方向为叶切面的厚度方向、z方向为叶切面的半径方向,令 表示半径rj处叶切面上的第i个控制点的坐标值,定义宽度比例因子sj改变半径rj处的叶切面宽度,定义厚度比例因子tj改变半径rj处的叶切T面厚度,定义偏移因子δj=[χδj,yδj,0]改变半径rj处叶切面上的控制点的坐标值,经过比例缩放和偏移后,半径rj处叶切面上的第i个控制点的坐标值 可通过下述公式表述:假设控制点坐标 在笛卡尔坐标系中的三个分量表示为 将其包络到半

径为rj的圆柱曲面上,进行相应的坐标变换,计算出新的控制点坐标 定义半径rj的螺距角为 纵斜角为θ,则具体的坐标转换公式可描述如下:通过采用定义的局部和全局参数化变量,对各个桨叶切面的控制点进行操控,可实现螺旋桨桨叶外形的参数化变形。

3.根据权利要求2所述的基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成方法,其特征在于,所述步骤3中,B样条曲面由两个方向的控制点网格、两个节点矢量和单变量B样条基函数来定义,具体方程表达式为:式中,Pi,j为曲面网格上的控制点;Ni,p(u)和Nj,p(v)分别为节点矢量U(r+1)和V(s+1)上的p阶B样条基函数;阶数p、控制点个数n+1和节点个数r+1满足关系:r=n+p+1;阶数q、控制点个数m+1和节点个数s+1满足关系:s=m+q+1。

4.根据权利要求3所述的基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成方法,其特征在于,所述步骤3中,采用B样条曲线的分裂方法,在不改变分裂点曲线曲率的前提下,将叶切面曲线分成两条独立的曲线,具体的分裂点取在B样条曲线节点矢量U(m+1)的中间分量处,由m+1除以2取整得到;分裂后,得到叶面曲面上不同半径ri处叶切面曲线的控制点 及节点矢量 得到叶背曲面上不同半径rj处叶切面曲线的控制点 及节点矢量 叶面曲面使用所有分裂曲线节点矢量 的平均值作为节点矢量V;叶背曲面使用所有分裂曲线节点矢量 的平均值作为节点矢量U,叶面和叶背曲面均取相应拟合曲线的节点矢量作为节点矢量V。

5.根据权利要求4所述的基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成方法,其特征在于,所述步骤3中,叶面曲面的数学表达式可描述为:

叶背曲面的数学表达式可描述为:

6.根据权利要求5所述的基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成方法,其特征在于,所述步骤4包括以下流程:流程一、选择叶面曲面上半径r0处的叶切面曲线的控制点 和叶背曲面上半径r0处的叶切面曲线的控制点 分别作为叶根曲面的上下两排控制点Fi0和Fi1,采用叶面曲面或者叶背曲面的节点矢量U作为叶根曲面的节点矢量U,选择{0,0,1,1}作为叶根曲面的节点矢量V,叶根曲面的数学表达式可描述为:流程二、采用4排控制点来生成所要求的圆弧面:直接选择叶面曲面上半径rm处的叶切面曲线的控制点 作为第1排控制点Gi1,选择叶背曲面上半径rm处的叶切面曲线的控制点作为第4排控制点Gi4,然后,通过如下的表达式计算第2排和第3排控制点:采用叶面曲面或者叶背曲面的节点矢量U作为叶顶曲面的节点矢量U,选择{0,0,0,0,

1,1,1,1}作为叶顶曲面的节点矢量V,叶顶曲面的数学表达式描述为: