复杂构件

复杂构件（精选五篇）

复杂构件篇1

随着结构计算理论的发展与结构计算软件的发展应用,越来越多的建筑师在建筑设计中运用一些复杂形体,所以在结构中也出现了大量复杂的构件,在以钢结构为主的大型建筑中越发突出。而在施工方案的制订中,这些构件的重量及重心位置是必须确定的数据,若采用传统计算方法,既繁琐又费时,且容易出现计算错误。利用AutoCAD的三维实体功能及相关实体特性查询功能,则能精确快速地确定构件的相关参数,下面通过几个实例说明应用。

1 异型梁中的应用

某工程中有如图1所示截面的钢梁,钢梁长度8.5 m,水平放置。首先建立如图2所示的模型,利用UCS将原点定义到图2中的A点,或将构件以A点为参考移动到原点。

在命令行输入:massprop,在弹出的文本窗中出现以下模型实体信息:质量、体积、边界框、质心、惯性矩、惯性积、旋转半径等,也可利用菜单界面工具栏中的相应选项查询。AutoCAD中材料密度默认为1,则只需要记录质量与质心的数据即可。对于本构件查询结果如下:

质量:2 210 809 691.224 0。

质心:X:4 250.000 0;Y:-682.035 7;Z:-1 408.016 9。

其中质心参数表示构件重心离A点的三向距离。根据质量查询数据,再依据材料密度计算出构件重量。

根据构件的特点,采用3点吊装,在模型中沿重心位置点做一条竖向直线,可在构件上定出相适应的3个吊点,通过作图法可以量出三根索具的长度,通过计算或者作图法求出每根索具分担的重量。

2 异型柱中的应用

某工程中有如图3所示钢柱,基本断面为日字形,建立如图4所示的实体模型,以B点作为坐标原点。用massprop命令对实体模型进行参数查询,可得出构件的重心位置与质量。沿重心作一竖向直线,在构件上选取适当的绑扎点,使索具交汇点通过构件的重心所在竖向直线,即可确定出索具的长度。

3 空间结构中的应用

某工程一段桁架如图5所示,双向弧度,双向变断面,水平投影长度32 m,模型如图6所示。在实际施工中采用跨外吊装技术。

在传统手工计算时,预采用35 m的结构分段,但经过利用AutoCAD精准确定重心后,改为32 m。过程如下:建立35 m桁架模型,定义参照原点,用massprop查出此段构件重心位置,并计算出构件重量。对比选用吊装设备的起重量,35 m段构件重量超出吊车起重量。删除模型中部分构件,剩余32 m,重新查询构件重心及质量,计算出构件重量,对比吊车性能,构件重量满足起重量,并根据重心及吊点的设置点确定索具长度。

4 应用中的建议

建立模型时,应该建立与构件就位状态一致的模型,对于需要翻身或初始状态与就位状态不相同的构件,可通过旋转等命令将模型状态转到构件吊装前的初始状态或中间状态。可以查出构件在吊装过程中任一状态下的重心点,绘制出吊装过程中构件重心的位置变动图,为吊装方案的确定提供依据。

对于原点位置的确定,如果仅查询构件重心,可定在任意一点,最好定在构件上,如果同时要确定吊装方案,最好将原点设定在吊装设备的中心,这样查询出来的重心即为对起重设备所要求的回转半径和吊装高度,可以快速与起重设备性能表进行对比,验证方案的可行性。

建立模型时,可根据个人习惯,以米为单位或毫米为标准单位建立实体模型,所查询出数据的单位也即是模型建立所采用的单位。笔者建议采用毫米作为单位建立模型,如要进行单位换算,可直接将模型进行比例缩放,即可通过查询得出需要的数据

5结语

在传统吊装复杂构件时,因为重心大都是采用粗略的计算方式,待构件起吊之后采用手拉葫芦进行调整,往往由于起吊后构件状态与设计要求相差很远,不得不做大量的调整,费时费力。而利用AutoCAD实体模型可精准确定复杂构件的重心,能够精确计算出或在AutoCAD中量出索具长度,对于起吊后的构件状态只做小的调整,节省劳动强度,节省时间,提高工作效率。

参考文献

[1]董云飞.谈CAD技术在工程设计中的应用[J].山西建筑,2007,33(7):363-364.

复杂构件篇2

钛合金薄壁复杂构件精密成形技术现状及发展

随着我国航空工业的发展,钛合金构件大型化、整体化是必然趋势,大型钛合金薄壁复杂构件的整体精密成形技术是必须解决的`重大技术关键.在过去的几年内,先进的设备、加工过程的控制和数值模拟的应用使得航空航天用的钛合金薄壁复杂构件整体精密成形有了一定的发展.

作者：张慧芳张治民 Zhang Huifang Zhang Zhimin 作者单位：张慧芳,Zhang Huifang(中北大学材料科学与工程学院)

张治民,Zhang Zhimin(国防科技工业精密塑性成形技术研究中心)

刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 “”(24) 分类号：V2 关键词：

复杂构件篇3

关键词：激光成形钛合金梯度材料

Abstract：In order to improve production capacity of the equipment in China's aeronautics and astronautics industry， shorten the production cycle and reduce the cost of production，the laser forming is applied to fabricate the large complex high-performance graded titanium alloy structural components，and the basic research is carried out in the present project. The main findings can be summarized as follows：（1）Based on the purpose of fabricating titanium alloy with graded microstructure， the investigation about the unique non-equilibrium rapidly solidified structures （including nucleation and growth behavior） during laser forming process is carried out.According to the investigation，the technologies of controling solidified structures are developed，which provide the theoretical basis and the methods for laser forming titanium alloy with graded microstructure.（2）Based on designing principles of graded titanium alloy structural components， and according to the requirement of the large complex graded titanium alloy structural components in aircraft beam frame，bisk of aeroengine etc，three types of graded titanium alloy structural components were designed， including high strength/low strength（TA15/TA2），medium strength/high strength （TC4/TC11、TA15/TC11） and high strength/high damage tolerance（TC18/TC21）. The graded microsturcture，chemical composition and microhardness in the graded transitional region of these alloys are studied.（3）Based on the purpose of improving the mechanical properties of the graded titanium alloy by optimize heat treatment，the solid-state phase transformation during heat treatment in laser forming TA15，TC11，TC4，TC18 etc.were investigated. An unique bi-modal microstructure is obtained，and its formation mechanism is revealed，which shed light on improving the mechanical properties of the graded titanium alloy by heat treatment.（4）To investigate details of the graded transitional region，the TA15/TA2，TC4/TC11 and TC18/TC21 mixed titanium alloys are designed and fabricated.The mircostructures，chemical composition and mechanical properties are investigated， which shed light on the optimization design of the graded transitional region.（5）The comprehensive mechanical properties of laser near-net forming graded titanium alloy are investigated.The experimental program has been established， and parts of mechanical properties have been tested. Furthermore，the fracture mechanism of the graded titanium alloy is studied.

Key Words：Laser forming；Titanium alloy；Gradient material

复杂构件篇4

实现复杂型面构件的超声自动检测, 是近年来国内外超声无损检测领域研究的前沿课题[1,2]。超声自动检测过程中如果路径规划不当, 可能出现探头与构件碰撞的情况, 因此有必要对运动点位进行碰撞干涉检测[3,4]。现有的碰撞干涉检测方法很多[5], 其中包围盒算法、空间分解法是当前广泛采用的方法。包围盒算法计算简单, 容易实现快速碰撞检测, 但该方法的精确性不高[6,7];空间分解法将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格, 然后对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试, 精确性高但运算复杂[8]。因此包围盒算法、空间分解法都不很适合超声检测过程中的碰撞干涉检测。文献[4]针对超声检测中碰撞干涉检测的特点研究了一种算法, 其性能相对传统算法有了很大的提高, 但超声检测的路径校验仅考虑碰撞干涉是不够的, 还应包含水声距检测以保证超声检测结果的精度和稳定性[9]。水声距过大时声束传播路径太长, 会因超声波能量的衰减而影响回波信号的采集;水声距太小, 有混淆底波和构件表面二次回波的可能。本文针对复杂型面构件超声检测过程中的路径校验方法进行研究, 提出了一种可同时实现水声距和碰撞干涉检测的路径校验方法。

1 基本原理

1.1路径校验的原理

Cullev等[10]从时空的角度给出了碰撞的定义:某时刻空间中的n个物体S1, S2, …, Sn, 存在两个或多个物体占据某块空间, 就发生了碰撞。因此碰撞的发生就是两个或多个物体在某个时间点, 某个位置上发生了体积的重合。从数学的角度看, 干涉就是两个几何体的交集非空, 超声检测路径校验的实质就是利用图形学和仿真技术, 采用计算机的手段对超声检测系统中的复杂型面构件与探头进行模拟, 通过研究它们是否存在干涉以判断它们之间是否碰撞。

超声检测中路径校验的任务有:①判断探头和复杂型面构件是否碰撞, 这与数控加工、产品装配的路径校验类似。②控制水声距。若水声距的合理范围为 (dmin, dmax) , 如图1所示, 将探头在声束方向上延长得到一个虚拟的圆柱体, 将其与构件进行干涉检测, 如果在延长dmin的情况下不发生干涉, 在延长dmax情况下发生干涉, 则说明水声距控制在目标范围内。

1.2投影法干涉检测

为了减小投影法检测过程中的运算量, 本文采用四边形对复杂型面构件的表面模型进行拟合。本文所提出的超声检测路径校验算法只需在文献[4]的基础上, 采用投影法判断空间圆柱体与四边形是否干涉, 其基本原理如图2所示:将图2a的圆柱体和四边形往三个特定的方向进行投影, 其中图2b的投影矢量方向为圆柱体的中心轴线;图2c的投影矢量方向为四边形的任意一条边;图2d的投影矢量方向为圆柱体底面圆的任意一条直径。大量仿真实验表明:圆柱体和四边形干涉时, 它们在上述三个方向上的投影都有重叠, 圆柱体和四边形不干涉时, 它们至少在上述某个方向上的投影是分离的。

1.3路径校验算法的流程

本文采用的路径校验算法流程如图3所示。先将复杂型面构件表面分割成若干曲面片, 各曲面片分别用一个包围盒表示, 将探头延长dmin得到一个虚拟的圆柱体。然后判断圆柱体是否位于包围盒内部, 如果圆柱体不被包围盒所包含, 则采用上述投影法检测包围盒的六个面与圆柱体是否干涉, 不干涉则检测探头延长dmax时的情况;否则将包围盒中的曲面片进行细分并用四边形表示, 继续采用投影法检测四边形与圆柱体是否干涉, 如果存在干涉则输出水声距过小的检测点位, 路径校验结束;否则按同样的流程检测探头延长dmax的情况, 先初略检测包围盒与圆柱体是否干涉, 如果不干涉则输出水声距过大的检测点位, 路径校验结束;否则将包围盒中的曲面片进行细分并用四边形表示, 然后采用投影法精确检测四边形与圆柱体是否干涉, 如果干涉说明不存在非法的检测点位, 路径校验结束;否则输出水声距离过大的检测点位, 路径校验结束。

2 路径校验的具体实现

将以上算法应用于超声检测中的路径校验, 还需要考虑以下两个方面的问题:①选取理想的水声距范围, 构造一个虚拟的探头参与干涉检测。②在路径校验的不同阶段, 合理地表示探头及复杂型面构件。

2.1水声距的选取

如图4所示, 探头接收到底面波和表面二次回波, 如果水声距过小, 探头就会在接收到底面波之前接收到表面二次波, 这样在表面一次回波和底面波之间出现了波形, C扫描成像时会将其作为缺陷波处理从而造成误判。理论上避免这种现象需要底面波先于表面二次波, 即水声距d满足:

d>hc1/c2 (1)

式中, h为被测构件的厚度;c1、c1分别为超声波在耦合剂和构件中传播的速度。

另外超声波的近场区声压有多个峰值, 即存在近场盲区, 因此, 水声距过小也不利于缺陷波定量, 并容易造成近表面缺陷的漏检[11]。但水声距过大时, 会因为声束传播路径过长而导致声束能量衰减过大, 在实时探伤时采集到的超声信号强度不够, 容易造成缺陷的漏检。水声距增大时需要采集的A波数据增加, 后续的数据分析和处理工作量也相应增大。理想的水声距与探头的种类和型号、耦合剂、被测构件的材质及探伤工艺等因素相关, 一般做法是先进行实验, 然后再根据实验数据选择一个理想的水声距范围[9]。

2.2检测对象的表示

圆柱形探头具有规则的外形, 事先就能知道它的特征参数, 如底面圆半径和圆柱高度。因此很容易精确表示探头的几何模型。复杂型面构件的表面被分割成一系列曲面片后, 根据各曲面片三维坐标的最大值和最小值来构造包围盒, 如图5所示。如何对复杂型面构件的表面进行分割, 决定了包围盒的总数量和各包围盒的长宽高参数, 并影响校验算法的总效率:分割得较粗糙时, 包围盒的总数量较少, 初略检测的工作量较少、耗时较短, 但包围盒与曲面片之间的紧密性不够, 留给精确检测的工作量就会增加。因此提高算法的总效率需要对曲面分割进行优化, 使各级算法的总耗时最少。

大量的仿真实验表明, 采用曲面片等体积法能有效提高干涉检测算法的总效率。曲面片体积定义为

V= (xmax-xmin) (ymax-ymin) (zmax-zmin) (2)

对构件表面采用二叉树的方式进行递归分解, 生成一系列包围盒体积恒定的曲面片, 图6所示为两种复杂型面构件的表面模型, 利用等体积法分割后的曲面如图7所示。图6a中参与校验的虚拟圆柱体外径和长度分别为12mm及115mm, 采用的包围盒体积为420cm3;图6b中虚拟圆柱体的外径和长度分别为10mm及100mm, 采用的包围盒体积为260cm3。

2.3投影算法的实现

在正投影算法中, 设投影平面Q为xoy, 投影线的方向矢量为B= (u, v, w) , 圆柱体底面圆的半径为r, 圆柱轴线方向矢量C= (i, j, k) , 投影平面单位xoy法向量A= (0, 0, 1) 。则投影线的参数方程为

式中, t0为参量。

点 (xi, yi, zi) 在平面xoy上的正平行投影为

这样就可求出四边形各顶点和圆柱体底面圆圆心的投影坐标。圆柱体的底面圆投影到平面Q上得到一个椭圆, 椭圆各参数为

轴1的方向矢量D=A×B= (v, -u, 0) , 长度a=r;

轴2的方向矢量E= (u, v, 0) , 长度 $b = \frac{r | u i + v j + w k |}{w \sqrt{u^{2} + v^{2} + w^{2}}}$ ;

若a>b, 则轴1为该椭圆的长轴, 二个焦点坐标分别为

$(x_{1}, y_{1}, z_{1}) = (x_{s} + \frac{v w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, y_{s} - \frac{u w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, 0)$

$(x_{2}, y_{2}, z_{2}) = (x_{s} - \frac{v}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}} c, y_{s} + \frac{u w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, 0)$

椭圆方程为

${\begin{cases} \sum_{i = 1}^{2} \sqrt{(x - x_{i})^{2} + (y - y_{i})^{2}} = 2 a \\ z = 0 \end{cases}$

若a<b, 则轴2为该椭圆的长轴, 焦点分别为

$(x_{1}, y_{1}, z_{1}) = (x_{s} + \frac{u w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, y_{s} + \frac{v w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, 0)$

$(x_{2}, y_{2}, z_{2}) = (x_{s} - \frac{u w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, y_{s} - \frac{v w}{\sqrt{u^{2} + v^{2}}}, 0)$

椭圆方程为

${\begin{cases} \sum_{i = 1}^{2} \sqrt{(x - x_{i})^{2} + (y - y_{i})^{2}} = 2 b \\ z = 0 \end{cases}$

根据以上推导, 可得到四边形和圆柱体在以上三个方向的投影图。首先分析沿圆柱轴线投影的情况。如图8所示, 圆柱体的投影为椭圆, 四边形的投影仍为四边形。满足下列条件之一时, 四边形和椭圆便会有重叠, 被检测的圆柱体和四边形可能干涉:①四边形有顶点位于椭圆内;②椭圆和四边形的边有交点;③椭圆中心在四边形内部。

点是否位于四边形内, 采用图9a所示的面积判别法进行判别:若S▱ABCD<S△PAB+S△PBC+S△PCD+S△PDA, 则点P在矩形之外, 否则点P在矩形之内;点是否位于椭圆内, 采用图9b所示的长度判别法进行判别。若PF1+PF2>2a, 则点P在椭圆之外, 否则点P在椭圆之内。

当圆柱体和四边形沿着四边形的一条边往平面xoy投影时, 得到的投影图如图10所示。四边形的投影为一线段;圆柱体的投影由两个椭圆及两条平行线段EF、GH构成。满足下列条件之一时, 被检测的圆柱体和四边形可能干涉:①线段有顶点位于椭圆或矩形HEFG内部, 见图10a;②线段与椭圆或矩形HEFG有交点, 见图10b。

当圆柱体和四边形沿着圆柱体底面圆直径方向往xoy平面投影时, 得到的投影图如图11所示。圆柱体的投影为矩形;四边形的投影仍为四边形。满足下列条件之一时, 四边形和矩形便会有重叠, 被检测的圆柱体和四边形可能干涉:①四边形有顶点位于矩形内, 见图11a;②矩形有顶点位于四边形内, 见图11b;③四边形的一条边与矩形的一边有交点, 见图11c。

3 路径校验实例

将上述方法应用于杭州浙大奔月科技有限公司生产的CurScan-06S-200806五轴超声检测机器人的路径校验, 图12所示为其中一个复杂型面构件的表面模型及路径规划的探头检测点位, 探头的外径和长度分别为12mm及80mm, 采用的理想水声距范围为35～50mm。在路径校验中采用大小不同的包围盒时本文算法的测试用时如图13所示。在针对不同形状和尺寸的复杂型面构件进行大量路径校验的基础上, 采用统计方法得出虚拟探头和包围盒的体积比与路径校验的总效率存在如下关系:当选择的包围盒体积为理想水声距中值, 即虚拟探头体积的30～35倍时, 本文算法的效率最高。

1.校验图6a的总时耗 2.精确校验图6a的时耗 3.初略校验图6a的时耗 4.校验图12的总时耗 5.精确校验图12的时耗 6.初略校验图12的时耗

经过路径校验后如果存在异常的探头检测点位, 则需要调整该处的水声距或机械手关节变量, 重新规划超声检测路径后再重新进行路径校验, 直到不存在干涉和不当的水声距为止。

4 结论

(1) 提出了超声自动检测过程中路径校验方法的模型:将探头在声束方向上延长合适的距离得到一个虚拟的探头, 将路径校验转化为虚拟探头与复杂型面构件进行干涉检测。

(2) 在虚拟探头与构件曲面的干涉检测中采用了分级算法, 将构件曲面分解成若干曲面片并利用包围盒表示, 先采用投影法初略检测虚拟探头和包围盒是否干涉, 如果干涉, 再将包围盒中的曲面片进行细分, 并用若干四边形表示, 继续采用投影法进行精确检测。

(3) 在大量实验结果的基础上, 讨论了包围盒的选取对算法性能的影响, 当选取的包围盒体积为理想水声距中值, 即虚拟探头体积的30～35倍时, 本文算法的性能达到最优。

摘要：给出了一种高效实用的超声自动检测路径校验方法:将探头在声束方向上延长合适的距离得到一个虚拟的圆柱体, 路径校验转化为构件表面与虚拟圆柱体的干涉检测。在干涉检测中首先将构件曲面分解成若干曲面片并利用包围盒表示, 然后采用投影法将圆柱体和包围盒的空间干涉问题转化为平面干涉问题, 只需计算投影图是否有重叠就可判断是否干涉, 如果存在干涉便将包围盒中的曲面片进行细分并用若干四边形表示, 继续采用投影法进行精确检测。最后通过实验验证了该方法的有效性, 并讨论了包围盒的选取对算法性能的影响。

关键词：复杂型面构件,超声检测,路径校验,投影

参考文献

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[6]周之平, 张飒兵, 吴介一, 等.基于矩形包围盒的多边形碰撞检测算法[J].中国图像图形学报, 2004, 19 (11) :1294-1303.

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[8]Baraff D.Interactive Si mulation of Solid Rigid Bodies[J].IEEE Computer Graphics and Applica-tions, 1995, 15 (5) :63-75.

[9]吴思源.曲面构件超声自动检测中若干关键技术研究[D].杭州:浙江大学, 2006.

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复杂构件篇5

关键词：CT,TVART,变能量,构件诊断

汽车作为现代出行的必备工具, 越来越受到大众青睐。传统的汽车构件检查方法分为人工经验法和仪器设备诊断法[1]。人工经验法有概率性, 不能排除人为经验的错误性。仪器设备诊断法是对零构件外在物理和密度等方面的数据刻画, 这两种方法都不能描述零构件的内在状态。文章结合现代科学新技术, 提出一种全新的零构件诊断方法:变能量CT诊断法。

1 变能量CT技术

CT是通过X射线获取零构件不同角度的投影信息后, 利用一定的成像方法重建物体结构层的技术[2]。常规的固定能量CT技术, 已经不能满足现代复杂构件的检测要求, 因为成像系统动态范围有限, 使得单一能量下的X射线投影信息有所缺失[3]。而变能量能使得不同结构对应不同能量的投影信息, 为此提出变能量CT技术。

此文变能量CT成像的原理是, 先将低能量下的有效数据进行重建, 然后把重建结果作为初始值重建下一个能量下的有效数据, 依次类推直到最高能量, 以此达到完整重建。

2 算法过程

为了重建不完全投影数据, 目前主要是ART迭代法[4]。但是这种方法不仅效果不好, 而且收敛速度慢。而最新引入的TV算法[5], 则在抑制噪声、加快收敛方面, 有很大的优势。论文通过把TV最小化和ART结合起来, 提出TVART迭代, 较ART效果显著。具体过程为:

(1) 计算最低能量时表征不完全投影信息下的矩阵。

(2) 用ART算法迭代, 已经初始化过的初始图像, 得到迭代图像。

(3) 将迭代图像, 利用TV最小化算法得最小化图像。

(4) 将最小化图像再次带入迭代循环, 进行下一次迭代, 直到迭代收敛得低能量重建图像。

(5) 将低能量重建图像作为初始图像, 按照步骤 (2) 依次迭代不同能量下的投影矩阵, 直到最终的收敛结果图像。

3 仿真实验

为了验证此文提出方法的可行性, 论文仿真了一个不同材料不同厚度的复杂构件, 其中外层椭圆为镁, 内层圆形为铝, 如图1所示。为了仿真不同能量下的不完全投影数据, 依据文献[8]和CT成像技术, 得到部分投影图像如图3所示, 从图3可以看出, 不同能量下, 投影数据表征的物体信息不一样, 不同能量下的所有不完全投影信息加在一起, 则可以表征物体的所有投影信息。

为了验证文中提出的变能量算法的必要性, 文章对上述比较完整的80 k V投影信息做了重建, 结果如图2所示。由图2可以看出此结果不仅本身的信息缺失很多, 质量也很差。

为了改善上述固定能量下的投影结果, 下面按照前文提出的理论和算法技术, 对不同能量下的投影数据, 依次进行TVART重建, 结果如图4所示。

由最后能量下的重建结果和固定能量下的重建结果对比可以看出, 该重建结果效果明显好于上面, 而且从最后的结果信息量上来看, 完全可以应用在构件缺损的诊断上。

4 结语

文章针对汽车复杂构件的诊断问题, 结合变能量CT技术, 解决了复杂构件的重建问题。通过仿真实验可以看出:该算法理论不仅可以实现非常规复杂构件的重建, 还可以将其应用在无损检测领域, 实现某些零构件诊断。

参考文献

[1]李永力, 唐秀丽.汽车故障诊断技术的现状及发展趋势[J].黑龙江科技信息, 2014 (31) :162.

[2]段彦杰.变电压X射线扫描成像技术研究[D].中北大学, 2010.

[3]熊军.代数迭代CT图像重建算法研究[D].成都:成都理工大学, 2015.

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复杂结石01-23