一种实测数据驱动的机翼对接区变形预测方法

本发明涉及航空装备产业、智能制造领域，特别地涉及一种实测数据驱动的机翼对接区变形预测方法。

背景技术：

1、在现代飞机装配工作中，实时监测和数据传输已经相对成熟，不少实测数据可以用于监测飞机部件当前状态或用于间接评估、预测下一工步可能的完成质量。对于飞机柔性件，提前预测其与待对接结构之间因变形产生的装配间隙是十分必要的。在明晰可能产生的间隙后，可以根据间隙水平评估装配质量，在获取足够历史数据后还可以进行工艺优化。进一步地，如能证明仿真结果能够很好地模拟真实物理世界的情况，还可以通过代理模型生成大量数据，辅助进行优化。

2、当前，对于飞机机翼-机身对接间隙，受限于较差的空间开敞性，实际操作中多采用传统得测量和观察手段评估。针对这些缺陷，本发明拟提出一种基于实测数据的仿真模型，并基于此构建机翼对接区装配间隙代理模型。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种实测数据驱动的机翼对接区变形预测方法，包括以下步骤：

2、s1、通过测量设备扫描对接区外形，构建点云数据并对点云进行处理，为模型重构做准备；

3、s2、通过将实际测量得到的点云重构为三维模型，建立反映真实零件尺寸误差的数模；

4、s3、对于机身对接过程，非对接区可以看作载荷模块，仅提供支撑和载荷，因此仅需重构对接区，非对接区使用理论数模；

5、s4、使用仿真软件仿真对接过程，求解对接间隙；

6、s5、通过批量处理点云、有限元仿真实现数据的批量生成，并基于长短期记忆网络构建代理模型。

7、优选地，扫描工作利用光学扫描仪完成；数据处理工作包括点云数据的配准、去噪及降采样过程，通过逆向工程软件及python语言和开源工具包完成。

8、优选地，点云重构方法，首先基于统计异常值去除算法实现滤波，然后基于新的算法实现点云配准和匹配，进而获得重构模型。

9、优选地，机身对接过程中，将对接区数模在三维建模软件中与非对接区的理论数模拼接，组成新的数模。

10、优选地，将权利要求4得到的数模导入仿真软件中，模拟对接过程，针对对接间隙进行有限元仿真，模拟该情况下的对接间隙。

11、优选地，批量处理点云数据，模拟各种公差范围内的初始误差；批量重构模型，对每个模型进行批量化有限元参数建模，模拟不同工况下的对接间隙，生成大量数据；建立基于遗传算法优化的长短记忆神经网络混合模型，通过遗传算法优化长短记忆神经网络混合模型的超参数。

12、优选地，对接区外形扫描与数据处理的具体流程，主要包括以下步骤：

13、步骤101，搭建光学动态跟踪系统和三维扫描仪组成的测量场；

14、步骤102，扫描对接区零件外形；

15、步骤103，采用统计异常值去除算法，对每个扫描点进行k邻域统计分析，计算平均距离，剔除平均距离超过给定阈值的点，k值表示每个扫描点计算它到k个邻近点之间的平均距离；

16、步骤104，通过kd-tree算法搜索某点的邻近点，计算点之间的距离，并设置合理阈值去除距离大于该阈值的邻近点，对该过程进行迭代，去除离群点；

17、步骤105，利用等间距抽稀算法对点云数据进行整体初步精简，在原始点云数据中设置采样距离为n，每间隔n个点保留下一个点，直至筛选完所有点；

18、步骤106，利用均匀采样法对点云进一步精简，将点云空间以半径为r的球体进行网格划分，选取距离球心最近点作为采样点，通过修改球体半径来实现对采样点云稀疏程度的控制。

19、优选地，点云数据驱动的对接区重构的具体流程，具体实施方式如下：

20、步骤201，将理论数模导入有限元软件，进行网格划分操作；结构件表面的扫描点云分布是均匀的，考虑到网格节点与扫描点云的匹配性，选用四面体网格；

21、步骤202，通过匹配算法，将点云中的坐标数据进行转换，匹配算法的具体实施流程为：读取当前网格节点的坐标；遍历读取分块文件中的扫描点坐标，计算扫描点坐标与网格节点坐标之间的距离；根据预设距离阈值，在与网格节点之间的距离小于阈值的扫描点中选取多个距离较小的扫描点；根据距离值以及扫描点的坐标，计算匹配点的坐标；

22、步骤203，获取基于点云数据的重构模型文件。

23、优选地，对接区与非对接区拼接的具体流程，主要包括以下步骤：

24、步骤301，将重构的点云模型转化为stp格式文件；

25、步骤302，将重构的stp格式模型与理论模型坐标系统一，将理论数模中与点云重构模型部分重合的对接区零件去除；

26、步骤303，通过catia装配质量，通过面耦合的方式将点云重构数模与非对接区理论数模拼接。

27、优选地，对接间隙有限元仿真的具体流程，主要包括以下步骤：

28、步骤401，对接区使用航空用铝合金al2024-t3，密度为2.78×10-6kg/mm3；设置材料的杨氏模量和泊松比分别为724000mpa和0.33；

29、步骤402，直接从三维建模软件中导入stp格式模型，使用六面体网格，单元类型为c3d8r，上、下蒙皮和横梁网格尺寸为15mm，翼肋网格尺寸为30mm，其余结构网格尺寸为20mm；

30、步骤403，采用动力/显示分析步；

31、步骤404，不同零件间的接触使用有限元软件提供的接触属性定义，切向的摩擦行为通过罚函数定义，摩擦系数取0.2；法向行为使用“硬”接触；零件之间的相互装配关系通过绑定功能实现；

32、步骤405，对全局施加重力载荷，重力加速度选择9800m/s；在结构下端pogo柱支撑位置，施加完全约束；在对接区与非对接区连接处对应的节点施加集中载荷；

33、步骤406，在实际对接状态下，对接完成后，将机身对接区的模拟件固定至实际机身对接区的位置，将机翼移动至该模拟件位置；分别在机翼对接区上缘和下缘布置多个监测点，对比有限元仿真上缘和下缘路径的位移数据。

34、上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

35、本发明提供的一种实测数据驱动的机翼对接区变形预测方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

36、首先，通过测量设备对接区外形的精确扫描与数据处理，实现了对对接区点云数据的准确构建与处理。这为后续的模型重构提供了坚实的基础，确保了重构模型的精确性和可靠性。

37、其次，点云数据驱动的对接区重构技术，能够将实际测量得到的点云数据有效地转化为三维模型。这种转化不仅保留了零件的真实尺寸误差，还通过数模的形式直观展示出来，为后续的分析和优化提供了有力的支持。

38、在对接区与非对接区的拼接过程中，该技术巧妙地采用了理论数模来代表非对接区，既简化了操作过程，又降低了时间成本。同时，这种处理方式并不影响整体的精度，确保了整个对接过程的准确性和可靠性。

39、此外，对接间隙有限元仿真技术的应用，能够精确模拟对接过程，并求解出对接间隙。这有助于在实际操作前预测和评估对接效果，从而提前发现并解决潜在问题，提高对接成功率。

40、最后，通过批量处理点云数据和有限元仿真实现数据的批量生成，并基于长短期记忆网络构建代理模型，该技术能够生成大量数据为工艺优化提供便捷。这不仅提高了数据处理和仿真的效率，还为后续的工艺优化提供了丰富的数据支持，有助于实现更加精细和高效的工艺优化过程。

41、综上所述，该技术流程在对接区处理与仿真方面展现出了显著的技术效果，有助于提高对接过程的精确性、可靠性和效率，为相关领域的技术进步和应用推广提供了有力的支持。