一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法

技术领域

本发明涉及飞机蒙皮修配技术领域，尤其涉及一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法。

背景技术

飞机蒙皮类零件是飞机结构的重要组成部分，对飞机的性能、安全性和外观都有重要影响，需要具备结构强度和耐久性，以确保飞机的安全运行和长期使用。这类零件尺寸大、刚度小，从零件加工到装配经历多个环节的累积误差，从而导致最终装配产生干涉或间隙，影响飞机的装配精度。近年来随着数字化测量技术的快速发展以及现代飞机对于制造装配精度要求大幅提升，飞机的制造装配逐渐向数字化、自动化、柔性化、智能化方向发展，数字化测量技术已经成为促进飞机智能化装配快速发展的关键因素和重要力量。

针对蒙皮类零件装配精度低的问题，国内各大航空制造企业采取的解决方案是在蒙皮类零件制造阶段留有加工余量，在装配过程中根据实际装配需求对蒙皮类零件进行切边处理，从而保证蒙皮类零件的装配对缝间隙满足设计要求。目前，大型蒙皮类零件的修边处理都是通过工人将壁板零件固定在专用夹具上进行手工切割，导致该类零件装配精度不高且装配效率低，同时对于工人技术要求较高，工人工作量增大等。其次，在装配状态下获取壁板零件的实际修边线非常困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法，解决了传统蒙皮类零件装配方法精度不高、装配效率较低导致工人工作困难且工作量增大的问题，该方法将去噪下采样后的蒙皮结构体的节点位移以及非节点位移的结合，得到装配状态下形变后的蒙皮数模，从而提高了整体修配精度；最后将点云数据集C

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法，包括以下步骤：

S1、获取待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C；

S2、分别对待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C进行去噪处理；

S3、对去噪后的点云数据集S和C进行均匀下采样得到点云数据集S

S4、对蒙皮数模A施加装配约束进行有限元仿真分析，得到装配状态下形变后的蒙皮数模，并获取形变后的蒙皮点云数据集S

S5、将点云数据集C

进一步地，在步骤S1中，通过三维激光扫描仪对所述待修配蒙皮和所述机身待装配的缺口进行扫描，采集获取待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C。

进一步地，在步骤S2中，对获取的所述点云数据集S和C，采用统计滤波去噪算法，基于统计的原理，通过对点云中每个点的邻域进行统计分析，给定均值和方差，判断点是否为噪声或异常点，最终剔除方差之外的明显分布稀疏的离群点。

进一步地，在步骤S3中，具体过程包括以下步骤：

S31、根据待修配蒙皮点云数据集S的密度、形状和特征，对步骤2去噪后的待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C划分为规则的网格；

S32、在每个网格中选择一个代表点，将所选的点组合成均匀下采样后的点云数据集S

S33、将点云数据集S

进一步地，在步骤S4中，具体过程包括以下步骤：

S41、将由不同类型飞机蒙皮结构体的蒙皮数模A分割成多个小元素并将它离散成网格，同时标明承受外部力或负载的点以及支撑点，接着设定一些边界条件，为每个小元素定义弹性属性；

S42、考虑自身的重力对上述元素的影响，并根据有限元分析的方法来建立系统的平衡方程得到

S43、然后通过有限数量的节点将所述单元连接起来，以便在节点之间传递负载或力，通过构建结构体的总体平衡方程来描述在所有节点上的负载分布；

S44、将所有节点的方程联合在一起，以获得对复杂工程问题的数值近似解，该近似解为待求节点位移

S45、通过实时测量应变值并进行相应计算，获得结构体各个节点的实时位移信息，对于非节点位移，通过节点位移

进一步地，在步骤S4中，所述有限元的算法具体过程包括：

单元内任一应变测点的位移

；

其中，

将应变场

；

其中，结构体应变场的应变值

元形函数

通过理论应变值

；

其中，

；

；

对于每个单元，认定最能反映出结构的变形情况的模型是当

；

求解得到

通过适当的坐标变换，将每个单元的刚度矩阵

；

式中，

进一步地，在步骤S5中，具体过程包括以下步骤：

S51、通过比较形变后的蒙皮点云数据集S

S52、采用基于测地距离不变约束的曲面非刚性映射方法，将点云数据集C

借由上述技术方案，本发明提供了一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法，至少具备以下有益效果：

与传统的飞机蒙皮修配方法相比，本发明通过对获取的待修配蒙皮点云数据S和机身待装配的缺口点云数据C进行去噪处理, 通过剔除方差之外的明显分布稀疏的离群点，如传感器误差、环境干扰或扫描设备本身的误差，从而避免降低点云的质量和准确性，以提高数据的质量和可用性，为后续点云下采样和数模重建提供高精度数据支撑；然后通过对点云数据集S和C进行均匀下采样得到数据集S

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法的流程图；

图2为本发明的蒙皮有限元分析算法的实现流程；

图3为本发明的蒙皮修配轨迹提取流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

请参照图1~图3，示出了本实施例的一种具体实施方式，本实施例通过对获取的蒙皮数模A施加装配约束进行有限元仿真分析通过构建结构体的总体平衡方程来描述在所有节点上的负载分布，通过节点位移

请参照图1，本实施例提出了一种基于点云与有限元分析的飞机蒙皮修配方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C；

作为步骤S1的优选实施方式，通过三维激光扫描仪对所述待修配蒙皮和所述机身待装配的缺口进行扫描，采集获取待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C；针对特定的实施场景，制定合理的测量方案，对测量对象、测量设备、环境等因素进行综合考虑能够避免测量过程中因人为因素产生错误。

S2、分别对待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C进行去噪处理；

作为步骤S2的优选实施方式，对获取的所述点云数据集S和C，采用统计滤波去噪算法，基于统计的原理，通过对点云中每个点的邻域进行统计分析，给定均值和方差，判断点是否为噪声或异常点，最终剔除方差之外的明显分布稀疏的离群点。

在本实施例中，本发明通过对获取的待修配蒙皮点云数据S和机身待装配的缺口点云数据C进行去噪处理, 通过剔除方差之外的明显分布稀疏的离群点，如传感器误差、环境干扰或扫描设备本身的误差，从而避免降低点云的质量和准确性，以提高数据的质量和可用性，为后续点云下采样和数模重建提供高精度数据支撑。

S3、对去噪后的点云数据集S和C进行均匀下采样得到点云数据集S

作为步骤S3的优选实施方式，具体过程包括以下步骤：

S31、根据待修配蒙皮点云数据集S的密度、形状和特征，对步骤2去噪后的待修配蒙皮点云数据集S和机身待装配的缺口点云数据集C划分为规则的网格；

S32、在每个网格中选择一个代表点，将所选的点组合成均匀下采样后的点云数据集S

S33、将点云数据集S

在本实施例中，本发明通过对点云数据集S和C进行均匀下采样得到数据集S

S4、对蒙皮数模A施加装配约束进行有限元仿真分析，通过叠加重力和固定约束的影响，使CAD模型在模拟装配状态下发生变形，得到装配状态下形变后的蒙皮数模，并获取形变后的蒙皮点云数据集S2；

作为步骤S4的优选实施方式，具体过程包括以下步骤：

S41、将由不同类型飞机蒙皮结构体的复杂的蒙皮数模A分割成多个小元素并将它离散成网格，同时标明承受外部力或负载的点以及支撑点，接着为了模拟现实情况下的约束，设定一些边界条件，为每个小元素定义弹性属性，用来描述它们对外部应力的响应方式；

S42、考虑自身的重力对上述元素的影响，并根据有限元分析的方法来建立系统的平衡方程得到

S43、然后通过有限数量的节点将所述单元连接起来，以便在节点之间传递负载或力，通过构建结构体的总体平衡方程来描述在所有节点上的负载分布；

S44、将所有节点的方程联合在一起，以获得对复杂工程问题的数值近似解，该近似解为待求节点位移

S45、通过实时测量应变值并进行相应计算，获得结构体各个节点的实时位移信息，对于非节点位移，通过节点位移

作为步骤S4的优选实施方式，所述有限元的算法具体过程包括：

采用一种逼近的方法，即分片插值，来处理飞机蒙皮的几何特征，该方法基于将飞机蒙皮视为不同类型的结构组合，如板、杆、梁和壳，然后，将这个复杂的结构体分成许多离散的单元，这些单元可以是一维、二维或三维的；

单元内任一应变测点的位移

；

其中，

考虑飞机蒙皮的几何形状和受到力的影响，需要建立一个受力模型来描述结构体在变形状态下应变和位移之间的关系，这个模型可以基于不同理论，如Kirchhoff薄板理论或Mindlin厚板理论；

为了描述结构体的应变场，使用一组独立的应变分量，每个分量代表一个方向的应变。这些应变分量可以用来表示结构在不同方向上的变形情况，将应变场

；

其中，结构体应变场的应变值

元形函数

通过理论应变值

；

其中，

；

；

对于每个单元，认定最能反映出结构的变形情况的模型是当

；

求解得到

通过适当的坐标变换，将每个单元的刚度矩阵

；

式中，

在本实施例中，本发明通过对蒙皮数模A施加装配约束进行有限元仿真分析，将不同类型飞机蒙皮结构体的蒙皮数模A分割成多个单元，并将整体误差精确到单元误差，从而为后期蒙皮的整体修配提供更加准确可靠的装配数据，然后通过有限数量的节点将所述单元连接起来，并通过构建结构体的总体平衡方程来描述在所有节点上的负载分布，通过节点位移

S5、将点云数据集C

作为步骤S5的优选实施方式，具体过程包括以下步骤：

S51、通过比较形变后的蒙皮点云数据集S

S52、采用基于测地距离不变约束的曲面非刚性映射方法，将点云数据集C

在本实施例中，本发明通过将点云数据集C

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

以上实施方式对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。