航空发动机叶片超声C扫三维可视化无损检测技术研究

摘要

近年来随着国家在航空领域的快速发展和航空工业对航空部件的质量标准不断提高，超声三维可视化无损检测软件系统平台得到了迅速发展，超声三维可视化技术也逐渐由之前单一的医学领域应用向工业领域应用延伸。在工业领域中，航空发动机叶片超声无损检测的研究始终围绕着提高检测效率和可靠性进行。本文以开发超声三维可视化无损检测软件系统为目标，通过研究反求测量过程中的拾取关键技术和缺陷区域的边界特征点的自动化提取技术以提高叶片检测效率和可靠性。 主要内容如下： （1）针对目前超声三维可视化无损检测系统拓展性差、通用程度低，开发周期长的现状，通过分析超声C扫检测的检测原理并结合项目的实际需求，提出了一种UML和组件技术相结合，用于快速开发超声三维可视化无损检测系统的普适化建模方法。构建了超声三维可视化无损检测系统模型，包括系统的架构、需求、用例、静态类、活动、时序和组件部署模型，最后在C#.NET平台下开发了软件系统原型，利用实测数据验证了该建模方法的有效性。 （2）为了快速获得三维点云模型指定点，便于人员在反求测量过程中对三维模型的目标点进行手动选取，研究了点云模型的拾取方法。分析了OpenGL内置的拾取机制，针对这一拾取机制应用到超声三维可视化系统中的不足，在项目软件中采用了一种基于射线的拾取方法。在此基础上，结合计算机图形学几何原理，利用C#.NET调用OpenGL底层图形库的开发技术实现了射线与三角网格的求交算法，完成了算法的移植，该算法有效处理了点云数据经过三角网格化后的三角面片与射线的求交过程，从而为超声三维可视化无损检测系统提供了完整、有效的拾取方案。 （3）为了准确、自动的提取叶片超声C扫点云模型的特征边界点，研究了均值漂移聚类算法的算法原理，以点云的空间位置作为聚类特征空间，实现了叶片点云模型的边界特征点提取。并结合超声C扫数据的数据类型和特点，提出了一种基于空间位置和超声强度值的多尺度均值漂移算法，实现了故障叶片缺陷区域的边界特征点自动提取。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题的来源

1.2 研究目的和意义

1.3 相关技术研究现状

1.3.1 工业级超声可视化无损检测系统的国内外研究现状

1.3.2 点云数据的特征提取

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 超声三维可视化无损检测系统建模

2.1 超声扫描成像原理

2.2 UML和组件技术

2.3 UTVNTS系统的体系结构

2.4 UTVNTS系统静态建模

2.4.1 UTVNTS系统用例模型

2.4.2 UTVNTS系统功能分解

2.4.3 UTVNTS系统静态类模型

2.5 UTVNTS系统动态建模

2.5.1 UTVNTS系统状态模型

2.5.2 UTVNTS系统交互模型

2.6 物理实现UTVNTS系统建模

2.6.1基于组件技术分解系统服务

2.6.2 UTVNTS系统UML组件部署

2.7 本章小结

第3章 点云拾取技术的研究

3.1 OpenGL内置拾取机制

3.1.1 OpenGL渲染管线

3.1.2 OpenGL内置拾取机制原理

3.1.3 OpenGL拾取机制功能实现

3.2 射线拾取法

3.2.1 射线拾取原理

3.2.2 相交测试

3.2.3 方法实现与验证对比

3.3 射线拾取法在闭合面元中的应用

3.3.1 三角面片和射线的参数化

3.3.2 射线与三角面元的交点计算

3.4 本章小结

第4章 基于均值漂移的超声C扫图像缺陷提取算法

4.1 均值漂移算法

4.2 基于空间位置的均值漂移算法

4.2.1 点云的边界点提取

4.2.2 结果分析

4.3 基于超声点云强度值和空间位置的均值漂移算法

4.3.1 超声C扫点云的缺陷提取

4.3.2 缺陷提取结果及分析

4.4 本章小结

第5章 系统主要功能与验证

5.1 数据管理功能

5.1.1 用户数据管理

5.1.2 原始数据管理

5.1.3 检测结果存储模块

5.2 UTVNTS的三维显示

5.2.1 WIinForm窗体嵌入OpenTK显示窗口

5.2.2 C#.NET与MATLAB数据转换与调用

5.2.3 多层点云计算

5.3 UTVNTS系统的可视化测试

5.3.1 可视化效果

5.3.2 人机交互效果

5.4 本章小结

总结与展望

论文总结

研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表论文与研究成果