3基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的直升機(jī)機(jī)身外形參數(shù)化建模蘇濤勇

1、第二十八屆 2018)全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文基于 CATIA 二次開(kāi)發(fā)的直升機(jī)機(jī)身外形參數(shù)化建模蘇濤勇 陸洋南京航空航天大學(xué)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016)摘要： 為了研究直升機(jī)機(jī)身對(duì)旋翼的氣動(dòng)干擾，對(duì)直升機(jī)的機(jī)身外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用一種基于類別 函數(shù) /形狀函數(shù)變換的參數(shù)化建模方法，研究出一種直升機(jī) CAD 模型的外形參數(shù)化方法。該方法可以用 較少的參數(shù)完成了直升機(jī)的機(jī)身外形建模。應(yīng)用 VB 環(huán)境下 CATIA 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)直升機(jī) 機(jī)身三維外形快速生成的軟件。實(shí)例表明，該軟件能夠快速地自動(dòng)生成直升機(jī)的機(jī)身三維外形，實(shí)現(xiàn)了 直升機(jī)的機(jī)身外形參數(shù)化建模。關(guān)鍵詞： 直升機(jī)

2、外形設(shè)計(jì)。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 參數(shù)化模型。 CATIA 。 二次開(kāi)發(fā)0 引言直升機(jī)工作在十分復(fù)雜非定常流場(chǎng)中，在該流場(chǎng)中，旋翼產(chǎn)生的尾跡的影響占主導(dǎo)地位。旋翼 的尾跡與機(jī)身之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)干擾，這種干擾會(huì)直接影響到直升機(jī)的性能、飛行品質(zhì)和振動(dòng) 特性等，因此在直升機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)直升機(jī)的機(jī)身外形進(jìn)行優(yōu)化1 。如何用一組參數(shù)來(lái)描述直升機(jī)機(jī)身外形并快速生成直升機(jī)的機(jī)身三維外形模型是進(jìn)行機(jī)身外形優(yōu)化的前提條件。參數(shù)化建模 為快速生成直升機(jī)的機(jī)身外形模型提供了一個(gè)有效的途徑。所謂幾何外形參數(shù)化建模，就是用一組 參數(shù)來(lái)約束設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀。對(duì)于直升機(jī)這類復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)中，幾何參數(shù)化建模

3、具有舉足輕重的地位，它有利于維護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)上的完整性、相容性和一致性，并為其它 學(xué)科如氣動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)分析提供支持2。飛行器外形復(fù)雜，目前主要采用 NURBS 的方法進(jìn)行參數(shù)化建模 3-5 ，雖然 NURBS 的方法能較 精確的飛行器的外形，但是由于所需的控制參數(shù)太多，不便于在優(yōu)化設(shè)計(jì)中獲得很好的應(yīng)用。 2006 年，波音公司的 Kulfan 等人針對(duì)這些問(wèn)題提出了一種基于形狀函數(shù)/類別函數(shù)變化的參數(shù)化方法Ni=0.5,N2=1Ni=0.5,N2=0.5Ni=0.25,N2=0.25N i=0.25,N2=0.75圖2當(dāng)形狀函數(shù)為1時(shí)，Ni，N2取不同值所描述的幾何形狀類別函數(shù)II -；

4、.的表達(dá)式為1 (2形狀函數(shù)的表達(dá)式為1 X (3在類別函數(shù)中，N1和N2為控制類別函數(shù)形狀的參數(shù)，對(duì)于不冋的N1和N2的值，所表示的類別函數(shù)的形狀是不同的，如圖 2所示:對(duì)于形狀函數(shù)，更常用的是伯恩斯坦多項(xiàng)式的定義，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:(4522 / 7所以，形狀函數(shù)可定義為:(5按照CST翼型參數(shù)化建模方法，類別函數(shù)中的Ni與N2主要控制的是翼型前緣和后緣的形狀，形狀函數(shù)旦主要是控制前緣到后緣的過(guò)渡部分翼型所通過(guò)的坐標(biāo)點(diǎn)。參數(shù)的個(gè)數(shù)取決于伯恩斯坦多 項(xiàng)式的階數(shù)，一般情況下，階數(shù)越高，所需的參數(shù)就越多，從而擬合翼型的精度就越高。1.2機(jī)身橫截面建模選擇合適類別函數(shù)的參數(shù)，CST方法可以用于直升

5、機(jī)機(jī)身橫截面形狀的描述。將一個(gè)封閉的橫截面分為上下兩部分，其上部分形狀如圖3所示。殲=yiw由CST方法可知:(6(7(8所以上部分橢圓圖形的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(9其中一I對(duì)于類似的機(jī)身橫截面，改變類別函數(shù)的Ni及N2，可以得到不同的形狀，類似于圖2所示。形狀函數(shù)如果取常數(shù)可以控制對(duì)稱形狀的寬高比。因此，應(yīng)用CST方法，通過(guò)改變相應(yīng)的類別函數(shù)的參數(shù)及形狀函數(shù)，可以描述各種機(jī)身的橫截面形狀。1.3機(jī)身縱向輪廓線建模在直升機(jī)外形設(shè)計(jì)中，機(jī)身及發(fā)動(dòng)機(jī)艙整流罩等的縱向輪廓線屬于一般曲線，如圖4所示。圖4 一般曲線形狀描述直升機(jī)外形的縱向輪廓線較為復(fù)雜，如果對(duì)整條輪廓線僅用一個(gè)函數(shù)式表示，由于所需控制點(diǎn)過(guò)多，

6、伯恩斯坦多項(xiàng)式的階數(shù)過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致由伯恩斯坦多項(xiàng)式定義的CST參數(shù)化方法所擬合523 / 7的曲線出現(xiàn)嚴(yán)重的病態(tài)。對(duì)于直升機(jī)外形的縱向輪廓線，可以把其分成幾段，對(duì)每一段采用和翼型 相同的方法進(jìn)行建模，通過(guò)改變N1、N2，可以控制曲線起點(diǎn)和終點(diǎn)的形狀，然后根據(jù)幾個(gè)特征位置的縱坐標(biāo)值及開(kāi)口高度，可以完成此類曲線的建模。綜上我們可以得出：CST方法具有很強(qiáng)的曲線建模能力，通過(guò)較少的參數(shù)就可以滿足直升機(jī)外形參數(shù)化建模的要求。2直升機(jī)機(jī)身外形參數(shù)化建模直升機(jī)機(jī)身外形主要由機(jī)身主體、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、垂直尾翼及水平尾翼等部件組成。在研究旋 翼對(duì)機(jī)身的氣動(dòng)干擾時(shí)，直升機(jī)旋翼所產(chǎn)生的流場(chǎng)作為外部輸入給出，故暫不

7、對(duì)旋翼系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù) 化建模。對(duì)直升機(jī)機(jī)身外形進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)各個(gè)部件分別進(jìn)行參數(shù)化建模，然后根據(jù)各部 件的位置參數(shù)完成整個(gè)直升機(jī)機(jī)身外形的建模。下面以某典型直升機(jī)為例具體說(shuō)明直升機(jī)機(jī)身外形 的參數(shù)化建模過(guò)程。2.1某典型直升機(jī)機(jī)身主體及發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩外形參數(shù)化建模直升機(jī)機(jī)身主體可以分為前機(jī)身，中段機(jī)身及尾梁三部分。只要確定機(jī)身的縱向輪廓線及橫截 面形狀就可以通過(guò)放樣的方法得到機(jī)身外形?？v向輪廓線：對(duì)于前機(jī)身，將縱向輪廓線分為上下兩部分，如圖5所示。下部分用一段曲線表示即可。上部分的縱向輪廓線可以分為兩段曲線來(lái)描述，對(duì)每一段曲線采用CST方法生成。對(duì)于每一段曲線的高度，可用翼型曲線的開(kāi)口高度

8、表示，通過(guò)控制指數(shù)N1及N2可以控制曲線首尾兩端的切線方向，通過(guò)幾個(gè)特征點(diǎn)確定形狀函數(shù)，特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)決定了伯恩斯坦多項(xiàng)式的階數(shù)，從而 得到曲線的數(shù)學(xué)描述，完成前機(jī)身縱向輪廓線的數(shù)學(xué)建模。中段機(jī)身主要是等截面形狀。尾梁的縱 向輪廓線建模類似于前機(jī)身。橫截面形狀：某該典型直升機(jī)前段機(jī)身的橫截面形狀如圖6所示，由于上半部分及下半部分不一定對(duì)稱，故對(duì)上下兩部分分別用 CST方法得到曲線，然后對(duì)兩部分曲線進(jìn)行拼接處理即可。對(duì)于中 段及尾梁的橫截面形狀，也只需改變 N1及N2的值既可以得到，形狀函數(shù)用以控制橫截面形狀的長(zhǎng) 寬比。對(duì)于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙及整流罩，其建模方法類似于前段機(jī)身。圖5某典型直升機(jī)前機(jī)身縱

9、向輪廓線圖6某典型直升機(jī)前段機(jī)身的橫截面形狀2.2垂尾及平尾外形參數(shù)化建模垂尾及平尾的外形主要通過(guò)剖面翼型及平面形狀來(lái)確定，通過(guò)放樣即可得到垂尾及平尾外形模524 / 7 型。翼型：由前所述的基于 CST 的翼型參數(shù)化建模方法建立翼型模型。對(duì)于一般的翼型幾何外形 表示及優(yōu)化， 4 到 6 階多項(xiàng)式就可以達(dá)到滿意的精度要求，對(duì)于精度要求較高的應(yīng)用，可以使用6到 9 階多項(xiàng)式定義翼型形狀函數(shù) 11。平面形狀：由于直升機(jī)平尾及垂尾的平面形狀較為簡(jiǎn)單，確定首尾兩翼型的弦長(zhǎng)及扭轉(zhuǎn)角即 可。2.3 直升機(jī)機(jī)身外形模型對(duì)于各個(gè)部件建立好外形模型后，定義各個(gè)部件的位置參數(shù)，在 CATIA 中定義 X 軸沿直升

10、機(jī) 展向， Y 軸為從機(jī)頭指向機(jī)尾方向， Z 軸為直升機(jī)高度方向。按照所定義的位置參數(shù)，定義各部件 的位置，即可得到直升機(jī)機(jī)身外形模型。3 軟件開(kāi)發(fā)上節(jié)通過(guò) CST 參數(shù)化建模方法，已經(jīng)建立了直升機(jī)機(jī)身外形的數(shù)學(xué)模型，本節(jié)通過(guò)運(yùn)用 VB 對(duì) CATIA 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，自動(dòng)生成直升機(jī)機(jī)身外形的三維模型。CATIA 提供的二次開(kāi)發(fā)的借口包括自動(dòng)化編程 V5 Automation )和開(kāi)放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程 接口 如果 CATIA 程序已經(jīng)啟動(dòng)，將 CATIA 程序賦給 變量 CATIAIf Err.Number 0 ThenSet CATIA = CreateObject(CA TIA.appl

11、ication 如果 CATIA 程序未啟動(dòng)，則啟動(dòng) CATIA 程序 并賦給變量 CATIACA T I A.Visible = TrueEnd IfOn Error GoTo 0圖 7 為利用本軟件生成的直升機(jī)機(jī)身外形三維模型。如需修改三維外形模型，只需在用戶界面 修改所輸入的相關(guān)參數(shù)即可。能大大縮短三維外形建模的時(shí)間，同時(shí)為研究機(jī)身氣動(dòng)布局優(yōu)化提供 了參數(shù)化模型。525 / 7圖7利用CST方法生成的某典型直升機(jī)機(jī)身外形三維模型4結(jié)束語(yǔ)本文運(yùn)用CST參數(shù)化建模方法及 CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了直升機(jī)機(jī)身外形參數(shù)化CAD模型快速生成軟件。并通過(guò)樣例驗(yàn)證了基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的直升機(jī)機(jī)

12、身外形參數(shù)化建模的可行性。只需輸入相關(guān)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)機(jī)身外形的自動(dòng)生成，為直升機(jī)機(jī)身外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基 礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 徐國(guó)華，李春華.直升機(jī)機(jī)身對(duì)旋翼氣動(dòng)干擾的計(jì)算J，南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 353)243-247.2 王振國(guó)，陳小前，羅文彩等.飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論與應(yīng)用研究M，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.3 盧新來(lái)，劉虎，武哲.直升機(jī)概念設(shè)計(jì)中的部件參數(shù)化J，北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32:540-5445 Rodriguezl D L, P.A rapid geometry engine for preliminary aircraft designR.

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16、 a parametric mathematical model for helicopter is proposed by using class function and shape function transformation method, which can use relative few parameters to describe the helicopter fuselage configuration. The softwarewhich can generate the CAD model of the helicopter fuselage configuration was developed using API technique of CATIA. The test example