收稿日期:20141014;修回日期:20141210 基金项目:国家“973”计划资助项目(2009CB723805)
作者简介:何腾霄(1989),男,硕士研究生,主要研究方向为机械设计制造与自动化、CAD、CAM(he_tengxiao@yahoo.com);杨杰(1976),男,
副教授,硕士,主要研究方向为机电一体化;庞宇飞(1970),男,高级工程师,硕士,主要研究方向为网格生成;肖素梅(1966),女,教授,博士,主要
研究方向为工业工程、机电一体化;戴峰(1991),男,硕士,主要研究方向为机械设计制造与自动化.
导数修正 TFI方法的数模修补技术研究
何腾霄
1
,杨 杰
2
,庞宇飞
3
,肖素梅
1
,戴 峰
1
(1.西南科技大学 制造科学与工程学院,四川 绵阳 621010;2.华北水利水电大学 机械学院,郑州 450045;
3.中国空气动力研究与发展中心,四川 绵阳 621000)
摘 要:将 CFD结构网格离散算法引进到数模修补技术中,提出了一种结合 TFI算法与 NURBS曲面拟合算法
的数模修补方法。该方法基于缝隙的离散网格数据及边界导数,通过改进 TFI算法对缝隙边界信息的控制,结
合 NURBS曲面拟合技术,实现了一个鲁棒的曲面生成算法;该方法适用于物面边界敏感性高,对修补后数模表
面的光滑性要求较高的 CFD领域,并在自主研发的计算流体网格生成软件 SPIDER1.0版本中得到应用。经验
证,该方法对复杂外形适应能力较强,满足缝隙修补曲面
G1连续性要求,修补曲面的阶数可调,通用性和稳定性
较好,具有较好的实用性。
关键词:结构网格;样条曲线;边界导数;数据拟合
中图分类号:TH164;TP391.7 文献标志码:A 文章编号:10013695(2015)12383004
doi:10.3969/j.issn.10013695.2015.12.072
ResearchofdigitalmodelrepairofTFIalgorithmwithderivativecorrection
HeTengxiao
1
,YangJie
2
,PangYufei
3
,XiaoSumei
1
,DaiFeng
1
(1.SchoolofManufacturingScience& Engineering, SouthwestUniversityofScience& Technology, MianyangSichuan621010, China;
2.SchoolofMechanicalEngineering, NorthChinaUniversityofWaterConservancy& Hydropower,Zhengzhou450045, China;3.China
AerodynamicsResearch&DevelopmentCenter,MianyangSichuan621000,China)
Abstract:ThispaperintroducedCFDstructurediscretegridalgorithm todigitalmodelrepairtechnology,andproposeda
methodbycombiningtheTFIalgorithmandNURBSfittingtechnique.Basedontheinformationofthediscretegridofgapsand
theirboundaryderivatives,itmodifiedthetraditionalTFImethodandNURBSfittingtechnique,andachievedarobustsurface
generationalgorithm.Themethodwassuitableforthesurfaceboundaryofhighsensitivity
,highsurfacesmoothnessrequire
mentsofdigitalmodelaftertherepairfieldofCFD,andapplieditinSPIDER1.0,anindependentdevelopmentofcomputatio
nalfluidgridgenerationsoftware.Theexperimentalresultsshowthattheproposedmethodcantreatcomplexshape,satisfythe
G1continuitydemandandhandlecurvedsurfacewitharbitraryorder.
Keywords:structuregrid;splinecurves;boundaryderivatives;datafitting
6
引言
近年 来,计 算 流 体 力 学 (computationalfluid dynamics,
CFD)技术在航空、航天、环境、船舶、能源等许多科学研究和工
程应用领域中发挥着日益显著的作用,网格生成技术作为
CFD
的前置应用技术已经成为一项重要的研究内容。随着工程应
用领域的扩大、几何模型复杂程度的增加以及计算精度要求的
提高,网格生成面临的技术难度逐渐增大,已成为 CFD的技术
瓶颈
[1]
。CFD网格生成技术包括数模处理、网格生成算法及
网格优化等诸多方面,其中数模处理技术是影响复杂外形条件
下网格生成的重要因素。由于复杂数模曲面间往往存在微小
的缝隙,这些缝隙对网格生成算法的精度、鲁棒性、通用性等均
造成了严重的影响
[2]
。
现有技术 条 件 下,数 模 表 达 大 量 依 赖 计 算 机 辅 助 设 计
(computeraideddesign,CAD)技术,不同 CAD软件间的数据兼
容、繁琐的数据转换、物面模型的剪裁操作等,往往会造成局部
特征丢失或者残缺现象;同时在模型设计时可能出现的误差也
会产生数模缝隙
[3,4]
。由于流体非线性特性显著,数模表面微
小抖动可能对最终结果产生本质性影响,CFD对表面网格及
其对应的物面数据光滑性有极高的需求。工程应用中,较精细
CFD网格附面层区域的网格最小尺度往往小于 1.0e
-6
m,此
时
CAD数模的缝隙会对 CFD网格造成严重问题。鉴于 CFD
网格技术的特殊性,需要研究满足较高精度要求的 CAD数模
曲面间缝隙修补技术,以实现高精度 CFD网格生成的要求。
目前 CAD技术提供的曲面缝隙处理方法一般包括边界匹
配和缝补两种方式。边界匹配方法通过改变某一曲面的边界,
使其匹配到邻面的边界上,从而去除两者之间的缝隙。由于修
补后曲面的形状部分甚至全部发生改变,该方法主要适用于对
数模形状控制要求不严格的场合
[5,6]
;缝补方法是在缝隙之间
构造成一个填补曲面,实现曲面间的无缝衔接。与边界匹配方
法相比,缝补方法的复杂性增大但精度较高。基于 CFD对表
面光滑性的高要求,应用于 CFD的曲面要达到 G1连续,而且
在机翼等敏感区域必须严格保形,缝补方法更适宜于 CFD领
第 32卷第 12期
2015年 12月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol32No12
Dec.2015