法國(guó)達(dá)索公司的三維設(shè)計(jì)軟件CATIA作為航空工業(yè)界最優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，提供了強(qiáng)大的曲面造型能力。在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，CATIA -改過(guò)去飛機(jī)總體設(shè)計(jì)用簡(jiǎn)單線框示意加數(shù)據(jù)表格的飛機(jī)理論外形表示方法，實(shí)現(xiàn)了三維空間的數(shù)字化曲面造型與理論外形設(shè)計(jì)要求的充分一致，而且對(duì)于增升裝置的設(shè)計(jì)采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)，對(duì)于氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，易于修改變化，結(jié)合CFD(Computational Fluid Dynamic，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)，針對(duì)流場(chǎng)的流動(dòng)情況，快速進(jìn)行氣動(dòng)外形的修改，改善氣動(dòng)性能，大大縮短了飛機(jī)設(shè)計(jì)的周期。CATIA在飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中可以滿足曲面造型精細(xì)化、設(shè)計(jì)要求快速實(shí)現(xiàn)化等要求。

    大型民用客機(jī)的增升裝置有很多種類，構(gòu)型相對(duì)復(fù)雜，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，增升裝置的設(shè)計(jì)類型趨向于簡(jiǎn)單高效的，特別是后緣增升裝置，從早期的多縫襟翼一直發(fā)展到如今主流的單縫襟翼。例如A320的全翼展前緣縫翼和后緣單縫后退式富勒襟翼，既能保證氣動(dòng)性能上的要求，又能使結(jié)構(gòu)外形盡可能的簡(jiǎn)單，這也是增升裝置設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。

    本文依托CATIA強(qiáng)大的功能，實(shí)現(xiàn)了將二維增升設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為三維增升構(gòu)型的一種方法，能夠快速、高效、精確地把二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為三維造型，在這個(gè)過(guò)程中反映了二維設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想，而且簡(jiǎn)單快速地得到了三維增升裝置的打開(kāi)構(gòu)型，能夠方便地進(jìn)行縫道參數(shù)的調(diào)整，這為三維增升裝置縫道參數(shù)的優(yōu)化提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

1 前緣縫翼的曲面外形生成

    1.1 二維設(shè)計(jì)

    三維增升裝置的設(shè)計(jì)成型是在二維多段翼形的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在二維多段翼形設(shè)計(jì)完成之后，再將二維設(shè)計(jì)構(gòu)型轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字曲面模型。

    二維多段翼形設(shè)計(jì)需要先沿機(jī)翼展向進(jìn)行控制站位的選取，具體方法是：沿著氣流來(lái)流方向在機(jī)翼的某個(gè)展向位置進(jìn)行二維翼型的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的截取（圖1細(xì)線所示），在機(jī)翼上沿展向取6或7個(gè)控制剖面來(lái)獲取翼形數(shù)據(jù)，并對(duì)獲得的翼形數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，在得到的翼形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二維多段翼形設(shè)計(jì)。

圖1 獲取二維翼型

    根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，二維設(shè)計(jì)多段翼形是三維增升裝置曲面生成的基本依據(jù)，二維增升裝置氣動(dòng)性能的優(yōu)劣會(huì)基本上決定整個(gè)三維增升裝置的氣動(dòng)性能。因此在進(jìn)行三維增升裝置設(shè)計(jì)之前需要進(jìn)行二維設(shè)計(jì)。

    在此文中我們使用6個(gè)沿展向的剖面進(jìn)行增升裝置的二維設(shè)計(jì)（圖2所示為控制剖面展向位置）。在機(jī)翼內(nèi)側(cè)布置3個(gè)剖面（包括機(jī)翼拐折處剖面），機(jī)翼外側(cè)3個(gè)，具體位置可以靈活確定，但是在機(jī)翼拐折處必須要有一個(gè)控制截面。

圖2 控制剖面展向位置

    1.2 三維成型

    在三維增升裝置的成型過(guò)程中將主要使用GSD(Generative Shape Design，創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì))這個(gè)模塊的功能，也會(huì)涉及一點(diǎn)FSS(FreeStyle Shaper，自由風(fēng)格造型)模塊的功能。

    創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)幫助設(shè)計(jì)者在線架、多種曲面和高級(jí)特征相結(jié)合的基礎(chǔ)上，借助全設(shè)計(jì)規(guī)范的捕捉，進(jìn)行高級(jí)曲面的設(shè)計(jì)，完全參數(shù)化操作。它提供了一系列廣泛的工具，用于創(chuàng)建和修改復(fù)雜外形設(shè)計(jì)或混合零件建模中的機(jī)械零部件外形。

    自由風(fēng)格造型：幾乎完全非參數(shù)化設(shè)計(jì)，除了包括GSD中的所有功能以外，還可完成諸如曲面控制點(diǎn)(可實(shí)現(xiàn)多曲面到整個(gè)產(chǎn)品外形同步調(diào)整控制點(diǎn)、變形)，自由約束邊界，去除參數(shù)等功能。

    將6個(gè)剖面的數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入到CATIA翼身組合體數(shù)字模型中，按照沿機(jī)翼展向的位置和扭轉(zhuǎn)角等參數(shù)在所取機(jī)翼剖面上進(jìn)行還原，還原之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)需與原本的機(jī)翼外形基本吻合，即不能改變飛機(jī)的巡航構(gòu)型(圖3所示還原之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)與機(jī)翼外形相吻合)。

圖3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)與機(jī)翼

    CAD技術(shù)中NURBS(Non uniform rational B-spline，非均勻有理B樣條)的出現(xiàn)，使曲線能夠盡可能的光順。NURBS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，高級(jí)三維軟件當(dāng)中都支持這種建模方式。NURBS能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動(dòng)的造型。

    一條k次NURBS曲線定義為

    其中：ωi，i=0，1，…，n稱為權(quán)，與控制頂點(diǎn)di，i=0，1，…，n相聯(lián)，其作用類似基函數(shù)；Ni，k(u)是關(guān)于曲線位置參量u的k次樣條曲線基函數(shù)，u的范圍在[0，1]之間，為了保證樣條曲線二次導(dǎo)數(shù)連續(xù)，取k≥3。

    將二維多段翼形數(shù)據(jù)點(diǎn)還原到機(jī)翼上之后，利用樣條曲線分別將縫翼剖面的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接。這些得到的曲線的光順程度將會(huì)決定以后增升裝置成型曲面的光滑程度，所以應(yīng)該特別注意這些曲線的曲率，要盡量使這些曲線光順，使用FSS模塊中的3D-CURVE功能進(jìn)行曲率的改進(jìn)，CATIA有自帶的曲率分析工具可以幫助人們進(jìn)行曲率的優(yōu)化（見(jiàn)圖4）。使用FSS模塊中的3D-CURVE中的“近接”選項(xiàng)，這樣做雖然會(huì)使前緣縫翼的某些不重要的設(shè)計(jì)點(diǎn)不通過(guò)這條曲線，但是這些點(diǎn)離優(yōu)化過(guò)的曲線的距離僅僅在幾個(gè)毫米，誤差程度基本可以接受，經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化得出的曲線的光滑程度相對(duì)于未優(yōu)化過(guò)的曲線的光滑程度高許多。

圖4 未使用3D-CURVE與使用3D-CURVE生成曲線曲率比較圖

    使用經(jīng)過(guò)3D-CURVE處理過(guò)的縫翼曲線，在GSD模塊中使用多特征截面曲面工具生成曲面，這些縫翼曲線就是生成曲面的控制曲線。縫翼曲線的兩端需要與機(jī)翼的上下兩表面相切，這樣可以保證縫翼曲面能與主翼很好的連接。

    使用多特征截面曲面生成曲面需要有引導(dǎo)線，這些引導(dǎo)曲線和機(jī)翼上下表面是相關(guān)聯(lián)的。在前緣縫翼的曲面成型過(guò)程中需要在機(jī)翼上表面作出2根控制引導(dǎo)線，一根控制線為1mm厚度控制線，另一根是過(guò)渡段控制線引導(dǎo)線，這2根控制引導(dǎo)線之間的距離應(yīng)該不超過(guò)當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)的3%，不過(guò)在三維成型過(guò)程中可以取基本相同的距離。畫(huà)出1mm控制引導(dǎo)線是因?yàn)樵趯?shí)際制造過(guò)程中蒙皮有厚度，在前緣縫翼的上端和下端都將有1mm的厚度。

    1mm厚度控制引導(dǎo)線，在機(jī)翼上表面作一條沿著機(jī)翼展向的曲線，再沿y向向下平移1mm，得出這條1mm厚度的控制線。作為過(guò)渡段的長(zhǎng)度控制線，這條線需要取在機(jī)翼表面。下表面也如前所述(見(jiàn)圖5)。

圖5 前緣縫翼曲面成型過(guò)程中4條控制線引導(dǎo)線

    作出1mm厚度的控制線引導(dǎo)線和過(guò)渡段的控制引導(dǎo)線之后，這4條曲線(前緣縫翼的上端和下端分別有2條)，連同前面經(jīng)過(guò)或未經(jīng)過(guò)優(yōu)化的縫翼剖面形狀曲線進(jìn)行本文中最重要的工作，利用多特征截面曲面(multi-sections-surface)生成縫翼曲面(見(jiàn)圖6(兩圖為不同視角下的視圖))。

圖6 增升裝置前緣縫翼曲面的生成

2 后緣襟翼曲面外形生成

    后緣襟翼曲面的生成類似于前緣縫翼，區(qū)別在于后緣襟翼只有5個(gè)控制剖面，最外側(cè)的翼稍處的控制剖面只有前緣縫翼數(shù)據(jù)點(diǎn)，不需要設(shè)計(jì)后緣襟翼，而前緣縫翼有6個(gè)控制面，其余步驟與前緣縫翼的做法基本一樣，在此就不重復(fù)表述了。

    圖7為增升裝置三維成型完成之后的狀態(tài)。

圖7 增升裝置完成示意圖

3 增升裝置曲面外形快速修改變換

    利用CATIA的自動(dòng)更新功能進(jìn)行快速的曲面外形修改。

    利用增升裝置的平面圖進(jìn)行不同構(gòu)型的快速替換。平面布置圖是確定的，基本不做更改。所以替換不同增升裝置構(gòu)型時(shí)保留控制曲線，只需要在做好的前一個(gè)構(gòu)型中將前緣縫翼或者后緣襟翼剖面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行替換就可以很快地得到新的增升裝置設(shè)計(jì)曲面了。

    進(jìn)行曲面快速進(jìn)行替換的重點(diǎn)在于CATIA中整個(gè)樹(shù)結(jié)構(gòu)層次清楚，一目了然。替換了最開(kāi)始的數(shù)據(jù)點(diǎn)后，CATIA能夠自動(dòng)進(jìn)行之后一連串始于數(shù)據(jù)點(diǎn)改動(dòng)的關(guān)聯(lián)改變，這樣就完成了曲面的快速替換。

4 三維增升裝置縫道參數(shù)

    4.1 前緣縫翼打開(kāi)方式

    前緣縫翼采用延伸圓弧滑軌方式，類似于Boeing 777，如圖8所示。在CATIA中實(shí)現(xiàn)這種方式的前緣縫翼運(yùn)動(dòng)方式，需要在空間中找到一根直線作為轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線，兩點(diǎn)確定一根直線，因此需要找到兩個(gè)二維情況下的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)。分別在機(jī)翼的翼根與翼尖處作垂直于機(jī)翼前緣的平面，將此平面與機(jī)冀、前緣縫翼面相交。二維情況下前緣縫翼繞某個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)點(diǎn)就是我們需要的。連接根據(jù)這種方法得出的兩個(gè)點(diǎn)得到的直線就是我們所要找的三維空間中的前緣縫翼轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。此軸線只是為基本軸線，還可以在CATIA中運(yùn)用平移功能進(jìn)行平移對(duì)此軸未進(jìn)一步地調(diào)整位置。

圖8 Boeing 777前緣縫翼

    4.2 后緣襟翼打開(kāi)方式

    根據(jù)富勒襟翼的特點(diǎn)，后緣縫翼運(yùn)動(dòng)方式為既向后移動(dòng)又進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，這樣的好處在于能夠較方便地進(jìn)行后緣襟冀的縫道參數(shù)的控制。

    在襟翼下表面的兩側(cè)取兩點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)等距離靠近后緣襟翼的前緣，連接這兩個(gè)點(diǎn)，作為初始的后緣襟翼轉(zhuǎn)動(dòng)軸，沿來(lái)流方向作一條直線，并且向下進(jìn)行一定角度的偏轉(zhuǎn)。此直線用作后緣襟翼平移的方向，后緣襟翼的運(yùn)動(dòng)方式，先將閉合的后緣襟翼與初始轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿直線進(jìn)行一定距離的平移，之后以轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行一定角度的偏轉(zhuǎn)，得到后緣襟翼打開(kāi)的構(gòu)型(見(jiàn)圖9)。

圖9 后緣襟翼打開(kāi)過(guò)程

    采用這種方法可以較好的控制縫道參數(shù)。

    圖10為增升裝置完全打開(kāi)后的構(gòu)型。

圖10 增升裝置打開(kāi)示意圖

5 算例

    上文中，我們闡述了前、后緣增升裝置的成型及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在以上的設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了著陸構(gòu)型FD03_XU7。在對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)分析時(shí)，為準(zhǔn)確模擬邊界層內(nèi)粘性流動(dòng)特征，采用結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)網(wǎng)格(見(jiàn)圖11)，得到兩個(gè)構(gòu)型的升力曲線如圖12所示(CL表示升力系數(shù)，AOA表示計(jì)算攻角)。圖13為構(gòu)型FD03_XU7在18°攻角時(shí)的表面流線。

圖11 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

圖12 構(gòu)型FD03_XU7升力曲線

圖13 構(gòu)型FD03_XU7在18°攻角時(shí)表面流線

6 結(jié)論

    隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)與成型能夠快速精確的實(shí)現(xiàn)。CATIA軟件有極強(qiáng)的曲面造型能力，在大型民用飛機(jī)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)了非常重要的位置。特別是NURBS即非統(tǒng)一有理B樣條曲線的出現(xiàn)，使CATIA能夠創(chuàng)建出更逼真、生動(dòng)的曲面，而且參數(shù)化的曲面曲線成型，使其在飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠高效、精確地反應(yīng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的意圖。CATIA能生成各種符合網(wǎng)格生成軟件的格式，基本能夠滿足任何商用網(wǎng)格生成軟件的格式輸入要求，極大地方便了CFD計(jì)算。基于參數(shù)化的設(shè)計(jì)，使CATIA對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)外形修改方便，可以根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果快速進(jìn)行外形修改。

    在增升裝置的設(shè)計(jì)和成型過(guò)程中，CATIA可以快速、高效、精確地進(jìn)行構(gòu)型生成。飛機(jī)增升裝置展開(kāi)可以直接在CATIA中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)展開(kāi)，縫道參數(shù)也可以方便地進(jìn)行修改，這為增升裝置尋求一個(gè)最優(yōu)位置提供了極其方便的方法。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：CATIA曲面造型技術(shù)在大型民用客機(jī)增升裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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