轴流泵3D实体造型的自动实现

针对目前轴流泵三维(3D)实体造型缺乏自动实现的特点，提出了一种自动实现轴流泵3D实体造型的方法。该方法将数据文件作为水力设计软件和三维造型软件Pro/Engineer之间的桥梁，利用叶片表面离散点表达方式灵活的特点，来构造任意形式的叶片柱面截线的平面展开图，以此生成具有足够精度的叶片特征曲线。在该方法中，轮毂利用二次开发工具Pro/Toolkit和特征描述法直接完成造型；叶片则由特征曲线混成叶片的正背面，再融合叶片的所有表面得到封闭曲面，根据封闭曲面得到实体造型。这种方法的特点是：充分利用了Pro/Toolkit快速灵活的优势，所完成的造型程序适用性强，精度高，可实现任意形式的轴流叶轮的三维自动实体造型。文中给出了叶轮实体造型实例。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证（英文）

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

基于CFD的潜水轴流泵性能分析及其特性试验

为了研究高转速轴流泵性能预测问题,采用圆弧法和流线法完成550比转速QY90-4.4-1.5轴流式潜水泵叶轮和导叶水力设计。采用计算流体动力学(CFD)对泵性能进行预测,运用Pro/E软件完成泵流道三维实体造型和非结构网格划分,基于标准k-ε湍流模型进行泵内部流场数值模拟,得到模型泵性能预测数据和曲线。在样机型式试验及综合分析基础上,发现实测与预测性能参数吻合程度较高,由于对回流及二次流等的模拟还存在欠缺,在偏离额定工况较大时泵流量-扬程、流量-轴功率和流量-效率曲线产生一定的误差。通过分析最优工况叶片表面压力和相对速度分布,揭示叶片头部因液流撞击形成较大压降梯度,背面进口边稍后是较宽的低压汽蚀危险区。叶片表面速度沿半径逐渐增大,基本上没有径向分速度。总体符合速度环量沿半径均匀分布的假设。     

三维激光扫描技术在开发建设项目水土保持监测中应用初探

运用Optech ILRIS 36D地面三维激光扫描仪对某水电工程取料场开挖边坡进行三维扫描,获取料场同一边坡不同时期的三维点云数据.在Polyworks软件下,对获取的不同时期三维点云数据进行处理,建立模型,并在此基础上通过模型计算,在料场开采扰动面积、实施水土保持工程措施面积、料场开采量及其动态变化等方面获得较为准确的监测结果.     

基于TOF深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法

为提高植物三维重建的精度,更好地实现植物数字化研究,提出了基于TOF(time of flight)深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法。首先通过TOF深度传感来获取植物点云数据,采用直通滤波器对点云数据进行预处理,减少背景噪声;其次采用改进密度分析的离群点去噪算法,该算法通过结合邻近点平均距离和邻域点数数量2个特征参数,对点云数据中的离群点噪声进行检测和去除;最后采用双边滤波算法对点云内部的小尺寸噪声进行检测和去除。以番茄植株进行相关试验,试验结果表明:与传统双边滤波算法比较,该文算法最大误差降低了11.2%,平均误差降低了23.2%;与拉普拉斯滤波算法比较,最大误差降低了20.6%,平均误差降低了39.2%,表明该文提出的算法在保持点云特征的情况下,能简单高效地去除植物三维点云数据中的不同尺度噪声。     

分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮的设计与试验

针对目前中国北方葡萄防寒土清土部件作业功耗高和相关理论研究较少的问题,设计了一种葡萄防寒土弧形清土叶轮,主要由花键连接轴套、叶轮轴、弧形叶轮片和叶轮片连接板等组成,采用分层交错式结构,以十字交叉形式排布。首先,依据中国北方葡萄防寒土清除农艺要求,确定弧形清土叶轮的外形尺寸和叶轮片数量。通过理论分析弧形清土叶轮的运动和受力,确定影响其作业功耗的主要因素。并基于EDEM软件,以弧形清土叶轮前进速度、转速和叶轮片弯曲角为试验因素,以叶轮扭矩和水平前进阻力为试验指标,进行三因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,以扭矩和水平前进阻力最小为优化目标,获得最优参数组合;进一步基于土槽试验,验证弧形清土叶轮仿真优化结果的准确性,并与直板式清土叶轮作业进行对比分析。仿真优化结果表明,当弧形清土叶轮前进速度为0.38m/s,转速为450r/min,叶轮片弯曲角为18°时,其扭矩和水平前进阻力最小,分别为9.99 N·m和27.09 N;土槽试验结果表明,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别为11.56N·m和31.82N,与仿真优化结果的相对误差分别为13.58%和14.86%,同时,与直板式清土叶轮作业对比,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别降低了9.40%和15.37%。研究结果可为后续葡萄藤防寒土清土机的整体设计提供理论依据和技术支撑。     

微地形DEM的最佳点云密度选取

[目的]通过对微地形DEM的最佳点云密度进行分析研究,从中选取出最佳点云密度,以实现高效、快速获取地表微地形观测结果的目的,既可降低计算成本,又能够保证观测精度。[方法]通过对多个扫描测次的点云数据进行深入的研究,确定出针对该数据最佳DEM水平分辨率为4mm,对原数据进行7种等级的压缩生成对应的DEM。采用平均误差、中误差、标准差3种最常见的DEM精度指标对生成的DEM进行精度评价分析。[结果](1)在点云压缩程度15%时,随着点云密度的减小,平均误差基本没有变化,维持在极低的数值上;点云压缩程度15%时,平均误差随着点云密度的减小而迅速的增大。(2)在点云压缩程度10%时,随着点云密度的减小,标准差基本没有变化;点云压缩程度10%时,标准差随着点云密度的减小而迅速增大。(3)在点云压缩程度20%时,随着点云密度的减小,中误差基本没有变化,维持在极低的数值上;点云压缩程度20%时,中误差随着点云密度的减小而迅速的增大。[结论]对比验证分析结果表明,20%的点云压缩密度为生成微地形DEM最佳的点云密度。     

Alpha-shape算法构建枣树点云三维模型

为了实现枣树智能化修剪作业，该研究提出了基于点云配准的自然光照环境下的果树三维重构方法，并针对传统最近点迭代（Iterative Closest Point，ICP）算法对待配准点云的空间位置要求苛刻的问题，提出了改进的点云配准算法。首先，使用彩色深度（RGB-D）相机采集不同角度下的枣树彩色和深度图像，并通过信息融合实现相应角度下的点云获取。其次，对点云进行背景去除和滤波处理，基于直方图设定分割阈值，提取单株枣树点云，并将放置在树根附近的标靶球作为标记，使用人工标记法进行两站点云初配准。最后，在初配准基础上计算点云的曲面法向量和曲率，由曲率相近的点构成配对点对，使用k维树最近点迭代（k dimensional-tree-Iterative Closest Point，kd-tree-ICP）算法完成精配准，对点云使用Alpha-shape算法面片化，实现表面重构。利用上述方法对多棵枣树进行全局配准并完整重构果树模型。试验结果表明，通过引入初配准，有效提高了点云配准的准确性和稳定性，配准误差均控制在1.0 cm以内，平均配准误差为0.78 cm；重构模型真实感较强，在外观上更加接近真实树，枝干相对误差控制在7%以内。该研究重构模型精度较高，可为枣树智能修剪提供可视化研究基础和技术支持。     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

牛蹄三维几何模型逆向工程研究

利用3D SCANNER扫描测量仪对单个牛蹄角表面进行扫描，获取了三维点群数据。利用逆向工程软件Surfacer进行了去除噪声、光滑、拼接等点群初步处理，采用直接用特征曲线生成曲面的方法重构了牛蹄角的三维几何模型。对重建的三维几何模型与原始点群之间的误差进行了分析，为将逆向工程技术应用到工程仿生领域定量研究动物步行足三维几何特征及松软地面仿生步行技术的发展提供了一定的基础。     

基于Geomagic Design软件的导种管三维逆向工程设计

针对玉米精密播种机使用导种管的结构不合理导致株距均匀性差的问题,该文介绍了一种应用逆向工程设计软件Geomagic Design设计导种管的方法,研制性能优良的导种管。利用悬臂式三坐标测量机对进口曲线型导种管结构进行扫描,获取三维点云数据;通过三维逆向工程软件Geomagic Design减少噪音点、合并、简化、对齐等数据预处理获得网格数据;依照网格数据逐个创建特征重构导种管的三维几何模型;对重建的三维几何模型与网格数据进行误差分析实现三维几何模型的优化;依照所优化的三维几何模型生成工程图纸,完成导种管试制。在丰美2BQX-6玉米免耕精密播种机上进行了试制导种管、进口导种管和无导种管的性能对比试验,结果表明:试制导种管、进口导种管和无导种管的段粒数合格率分别为95%、97%和67%,空段率分别为3%、3%和33%,说明导种管可有效提高播种质量,且本研究试制的导种管与进口导种管性能相当。应用逆向工程设计导种管相对传统的理论研究和试验研究,可以缩短设计周期,降低设计成本;所建的三维几何模型为后续导种管结构研究和改进优化提供了一定参考。     

基于点云的作物地下变态根可视化模拟

为研究作物地下变态根的可视化模拟,以肉质直根和块根为模拟对象,采用体着色三维重建的方法获取变态根点云,提出并实现了去除变态根点云噪声、离群点和修补孔洞的预处理通道,并对预处理后的点云进行曲面重建,构建曲面模型,进而提取变态根的构型参数,最后对重建后的曲面模型进行可视化模拟。以胡萝卜和马铃薯为试验对象进行了可视化模拟,结果表明,去除变态根点云噪声、离群点和修补孔洞的预处理通道,能有效得到完整、均匀和光顺的点云模型,从曲面模型提取的体积误差小于10%,利用重建得到的曲面模型可平滑逼真的可视化变态根形态。该文研究为植物变态根构型模拟提供了一种新方法。     

离心泵平衡腔液体压力的计算与验证

针对开平衡孔双密封环叶轮离心泵的平衡腔液体压力计算问题,基于液体通过叶轮平衡孔和后密封环间隙的泄漏量相等,引入了压力系数p和比面积k2个无因特征参数,推导出了平衡腔液体压力计算模型,其关系曲线为p= f (k )的无因次曲线,并给出了待定系数 a、b 的计算方法。在3BA-6泵上,取与计算相同的叶轮平衡孔直径进行了试验验证。结果表明,在泵设计工况下平衡腔液体压力的试验与理论无因次曲线较为一致,验证了平衡腔液体压力计算模型的正确性与可行性。该研究可为开平衡孔双密封环叶轮离心泵轴向力计算提供基础理论。     

带可调导叶的双向潜水贯流泵装置水力性能

为提高双向潜水贯流泵装置正反向运行时的水力性能,该研究提出在叶轮前后布置可调导叶,并通过模型试验和数值模拟的方法研究其水力性能,对比灯泡前置和灯泡后置性能差异.研究结果表明:采用可调导叶的双向潜水贯流泵装置兼顾正、反向性能,灯泡前置和后置最优导叶角度分别为12°和20°,最高效率分别为67.9％和66.5％,最高效率点...     

离心泵气液固多相流动数值模拟与试验

为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况,采用Pro/E三维造型软件进行几何造型,基于ANSYSCFX软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型,并结合SIMPLEC算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数值计算,将计算结果与试验结果进行对比结果表明:受气相所产生旋涡的影响,固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化,而气相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置,气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

基于多尺度几何感知Transformer的植物点云补全网络

对植物幼苗进行三维重建,常存在叶片间的遮挡、摄像头视野限制等因素导致植物幼苗点云出现缺失的情况,影响了植物表型分析的准确度。为了能获得完整的植物点云,提出了基于多尺度几何感知Transformer（Multi-Scale Geometry-Aware Point Transformer,MGA-PT）的植物点云补全网络。该网络首先通过降采样特征提取模块对原始点云进行邻域特征提取;然后利用Transformer提取语义信息,引入多尺度几何感知模块提取不同尺度下的几何信息,加强对植株不同器官的特征提取能力;最后使用双路稠密点云生成模块分别对输入部分和预测部分进行细粒度生成,避免输入点云特征的丢失,保证稠密点云贴近实际分布。试验使用基于运动恢复结构的方法对植物幼苗进行三维重建,通过旋转与固定视点缺失构建数据集。试验结果表明,该补全网络表现出色,比目前主流的补全网络更优,对植株数据集补全结果的倒角距离为0.79×104 cm,地面移动距离为0.11 cm,F1分数为70.77%,且对不同形态、不同比例的缺失均能均能补全,体现网络具有稳定性与健壮性。该网络对叶类植物补全效果好,为植物幼苗点云补全提供了新思路。     

基于径向基神经网络与粒子群算法的双叶片泵多目标优化

针对双叶片泵存在水力性能比相同比转速的多叶片离心泵低的缺陷,该文以一台型号为80QW50-15-4的双叶片污水泵作为研究对象,将其设计流量点的扬程和效率定为优化目标,运用ANSYS CFX(computational fluid dynamics x)进行数值模拟获得性能数据,采用径向基(radial basis function,RBF)神经网络建立结构参数与扬程、效率性能间的预测模型,并将其用作粒子群算法的适应值评价模型,在样本空间内进行最优值求解,获得扬程和效率的Pareto解。选取扬程最优个体和效率最优个体进行数值模拟,研究其在输运不同介质时的性能与内流场差异,并与初始模型的数值模拟数据相比较。经试验验证,清水介质中设计流量点扬程最优个体的扬程较初始个体增加0.96 m,增幅达到5.5%;效率最优个体的效率较初始个体提升了10.11个百分点。该优化方法改善了叶轮水力特性,使双叶片泵性能得到提高。     

植物三维建模ICP点云配准优化

构建精确三维模型无损获取植物表型特征信息,对研究农作物的精准化种植、可视化管理和智能化操控具有实际意义。针对当前植物三维建模过程点云数据量大、配准精度不高的问题,该研究提出基于轻量化处理的迭代最近点算法（Iterative Closest Point,ICP）点云配准优化方法。首先以人机交互算法对获取的植株点云图像进行背景滤除,然后利用高效近邻搜索算法判别点云的离群点进行噪声去噪;通过引入辅助特征坐标参数解决ICP算法配准过程中易陷于局部最优解的问题,获取多组点云的精确配准;最后提出体素化网格法,在保证点云三维形态特征的前提下有效滤除冗余点云数据点。试验结果表明,单株和多植株的精简配准效果良好,表型清晰明显,细节易区分,精简后的植株点云冗余数据减少96.90%～97.35%。精简后的植物点云表型可有效重构植株的形态特征,单植株的株高误差为0.20%～0.45%,冠幅误差为0.17%～0.47%,多植株的株高误差为0.25%～0.60%,冠幅误差为0.42%～0.80%。优化后的ICP算法实现滴水莲点云数据精准融合时间为124.3 s,较暴力算法提升26.75%,冗余点云数据精简了96.90%～97.20%,为植物表型的三维建模轻量化处理提供参考。