飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法研究

蔡 敏，肖任勤，胡善剛，鮑永定

(湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所，湖北武漢 430040)

飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法研究

蔡 敏，肖任勤，胡善剛，鮑永定

(湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所，湖北武漢 430040)

分析了飛行器艙段結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在反復(fù)修改、重復(fù)性工作量大、設(shè)計(jì)效率低等問(wèn)題，研究了產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法，提出了一種基于CAD/CAE集成的艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用Visual C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)交互等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了飛行器艙段結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

飛行器結(jié)構(gòu);快速設(shè)計(jì);CAD/CAE集成

在短期內(nèi)設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化要求、質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良的產(chǎn)品，是企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位的關(guān)鍵。快速設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前市場(chǎng)在產(chǎn)品多樣化、系列化、需求多變的形勢(shì)下提出并發(fā)展起來(lái)的?？焖僭O(shè)計(jì)，又稱(chēng)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)，是一種以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量為目的的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［1］。

飛行器的艙段結(jié)構(gòu)是飛行器系統(tǒng)的重要組成部分，它主要由各個(gè)艙段、各種升力面和各種必需的機(jī)構(gòu)以及外部零件組成。本文以飛行器的艙段結(jié)構(gòu)為例，研究快速設(shè)計(jì)方法在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。飛行器的艙段有天線(xiàn)罩、儀器艙、有效載荷艙、動(dòng)力艙、舵機(jī)艙等，各艙段有序地連接成一個(gè)整體，外部產(chǎn)生氣動(dòng)力，內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)完整的承力系統(tǒng)，承受并傳遞飛行器在運(yùn)輸、停放、儲(chǔ)存和飛行工況下的載荷，保證飛行器完成設(shè)計(jì)任務(wù)［2］。

1 飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)

1.1 飛行器艙段結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

飛行器典型艙段的骨架結(jié)構(gòu)一般包括前端框、后端框、環(huán)向筋、縱向筋、蒙皮等，飛行器艙段結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中尤其是方案論證階段一般都需要對(duì)上述各個(gè)結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整或者修改。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法流程如圖1所示，設(shè)計(jì)人員在三維造型軟件中一步一步手動(dòng)繪制模型，再由專(zhuān)業(yè)的結(jié)構(gòu)分析人員將模型導(dǎo)入分析軟件中進(jìn)行計(jì)算，將分析得到的結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員根據(jù)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改、調(diào)整，重復(fù)上述步驟，直到得到符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品為止。這種方式的重復(fù)性工作量大，效率低，模型修改、計(jì)算工作占了整個(gè)設(shè)計(jì)工作的大部分時(shí)間，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)創(chuàng)新時(shí)間不足，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。

圖1 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法流程

1.2 基于CAD/CAE集成的快速設(shè)計(jì)方法

CAD與CAE是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的兩個(gè)重要組成部分:CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大計(jì)算能力、數(shù)據(jù)處理能力及繪圖建模功能，通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。CAE即計(jì)算機(jī)輔助工程，利用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程中的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。CAD/CAE集成可以避免設(shè)計(jì)過(guò)程中的重復(fù)性工作，節(jié)約時(shí)間，提高工作效率。目前實(shí)現(xiàn)CAD/CAE集成的方式主要可以分成3類(lèi):(1)在CAD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)CAD/CAE的集成。(2)在CAE系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)CAD/CAE的集成。(3)在第三方系統(tǒng)中通過(guò)數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)CAD/CAE集成［3］。

本文研究的快速設(shè)計(jì)方法是在第三方系統(tǒng)中集成CAD與CAE系統(tǒng)，運(yùn)用VC 語(yǔ)言構(gòu)建快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。采用CATIA軟件和ANSYS軟件構(gòu)建了艙段結(jié)構(gòu)的CAD、CAE模型。建模過(guò)程中提取設(shè)計(jì)時(shí)需要修改、調(diào)整的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等，作為設(shè)計(jì)變量，并將兩種模型的參數(shù)保持完全一致，通過(guò)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理。通過(guò)這樣的方式，在快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中修改、調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，即可完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改，進(jìn)而同時(shí)驅(qū)動(dòng)生成相應(yīng)的艙段CATIA三維模型及ANSYS分析模型，實(shí)現(xiàn)了CAD與CAE模型的無(wú)縫集成?；贑AD/CAE集成的快速設(shè)計(jì)方法原理如圖2所示［4］。

圖2 基于CAD/CAE集成的快速設(shè)計(jì)方法原理圖

1.3 飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

本文研究的飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)用了基于CAD/CAE集成的快速設(shè)計(jì)方法，固化了飛行器艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，并融入了設(shè)計(jì)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)。快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖3所示。設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)條件在友好的人機(jī)交互界面中進(jìn)行選擇結(jié)構(gòu)形式、輸入設(shè)計(jì)參數(shù)等操作，就可以快速構(gòu)建出艙段的CAD模型和CAE模型，并在CAE平臺(tái)上根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入邊界條件、外界載荷等，對(duì)艙段進(jìn)行分析并得到相關(guān)結(jié)果。若對(duì)分析結(jié)果滿(mǎn)意，則輸出設(shè)計(jì)結(jié)果;若對(duì)分析結(jié)果不滿(mǎn)意，則返回，再根據(jù)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，直至滿(mǎn)意為止。

圖3 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖

2 飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

本文在研究了快速設(shè)計(jì)方法及CAD/CAE集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛行器艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文構(gòu)建的平臺(tái)利用Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境，綜合C++編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等，以CATIA和ANSYS軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，融入了飛行器艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程，實(shí)現(xiàn)飛行器艙段三維設(shè)計(jì)模型和分析模型的無(wú)縫集成，并最終實(shí)現(xiàn)飛行器艙段結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以在本文的平臺(tái)上快速完成飛行器艙段三維模型的建立、分析及修改，改變了傳統(tǒng)的一步一步手動(dòng)繪制三維模型、分析協(xié)作的設(shè)計(jì)模式，極大地節(jié)約建模、修改的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

2.1 平臺(tái)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

本文構(gòu)建的飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)流程如圖4所示。啟動(dòng)飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)平臺(tái)后，平臺(tái)主要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟:(1)設(shè)計(jì)人員根據(jù)艙段設(shè)計(jì)要求及經(jīng)驗(yàn)，在平臺(tái)的交互式界面的引導(dǎo)下輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，包括“艙段直徑”、“艙段長(zhǎng)度”、“端框厚度”、“蒙皮厚度”、“環(huán)向筋個(gè)數(shù)”等。(2)后臺(tái)程序會(huì)將這些參數(shù)寫(xiě)入已經(jīng)建立好的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)通過(guò)接口程序分別修改CATIA軟件提供的模型參數(shù)表和ANSYS軟件提供的二次開(kāi)發(fā)工具APDL語(yǔ)言。(3)參數(shù)表和APDL語(yǔ)言會(huì)分別驅(qū)動(dòng)生成艙段相應(yīng)的CATIA三維模型和ANSYS有限元分析模型。(4)分別在CATIA軟件和ANSYS軟件中對(duì)模型進(jìn)行分析，主要包括質(zhì)量質(zhì)心計(jì)算、強(qiáng)度分析、模態(tài)分析等。(5)判斷模型分析結(jié)果是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如果滿(mǎn)足，則輸出產(chǎn)品文件，包括艙段模型、圖紙、結(jié)構(gòu)分析報(bào)告等;如果不滿(mǎn)足，則返回，再修改設(shè)計(jì)參數(shù)，直至得到滿(mǎn)意產(chǎn)品為止。

圖4 飛行器艙段結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)流程

2.2 平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)(Parametric Design)，又稱(chēng)尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，其核心思想是把產(chǎn)品的部分尺寸、結(jié)構(gòu)變成變量參數(shù)或函數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)或函數(shù)，可以得到不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化技術(shù)可以節(jié)約大量的手工建模時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)優(yōu)化過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。參數(shù)化建模技術(shù)提出相對(duì)較早，并已得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)有主流的CAD、CAE軟件都在一定程度上支持參數(shù)化建模。本文主要研究了CATIA及ANSYS的參數(shù)化建模技術(shù)［5］。

CATIA軟件在建模過(guò)程中，可以設(shè)置變量參數(shù)，并與指定的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)聯(lián)，如圖5所示為本文建立的飛行器艙段參數(shù)化三維模型。CATIA軟件具有提供模型參數(shù)表格的功能，可以將艙段的三維模型參數(shù)集成在特定的Excel表格中。CATIA三維模型與其相應(yīng)的表格之間是雙向驅(qū)動(dòng)的，即在修改表格中的參數(shù)時(shí)，三維模型會(huì)自動(dòng)更新，通過(guò)這樣的方式可以實(shí)現(xiàn)CATIA三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖5 飛行器艙段參數(shù)化三維模型

ANSYS軟件自帶二次開(kāi)發(fā)工具APDL語(yǔ)言，全稱(chēng)ANSYS Parameter Design Language(ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言)，可以建立參數(shù)化的三維CAE有限元分析模型。APDL語(yǔ)言具有定義參數(shù)、數(shù)組、函數(shù)、流程控制等功能，用戶(hù)可以通過(guò)APDL語(yǔ)言將ANSYS的命令組織起來(lái)，編寫(xiě)出參數(shù)化的用戶(hù)程序，實(shí)現(xiàn)有限元分析的全過(guò)程。以下為編寫(xiě)飛行器艙段參數(shù)化三維CAE模型的部分代碼:

2.2.2 可視化技術(shù)

MFC(Microsoft Foundation Classes)，即微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)，它包含了大量的Windows句柄封裝類(lèi)和Windows的內(nèi)建控件和組件封裝類(lèi)，以減少程序開(kāi)發(fā)人員的工作量。本文開(kāi)發(fā)的平臺(tái)在Visual C++環(huán)境下，利用MFC技術(shù)，根據(jù)艙段設(shè)計(jì)的流程構(gòu)建了合理人機(jī)交互界面，圖6所示為快速設(shè)計(jì)平臺(tái)人機(jī)交互界面之一。

圖6 快速設(shè)計(jì)平臺(tái)人機(jī)交互界面之一

2.3 平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例

步驟1:啟動(dòng)本文開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)入主界面，選擇所要設(shè)計(jì)的艙段類(lèi)型，即圓柱形艙段或圓錐形艙段，然后根據(jù)示意圖輸入相關(guān)的尺寸參數(shù)，包括艙段外徑、艙段長(zhǎng)度、艙段壁厚……。

步驟2:輸入完整的參數(shù)后，點(diǎn)擊“參數(shù)檢測(cè)”，后臺(tái)程序會(huì)對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行邏輯判斷并給出提示，如果參數(shù)合理，點(diǎn)擊“確定建模”，程序會(huì)將相關(guān)的參數(shù)保存至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并驅(qū)動(dòng)CATIA生成相應(yīng)的三維模型。

步驟3:用戶(hù)對(duì)生成的三維模型確認(rèn)后，可以點(diǎn)擊“結(jié)構(gòu)分析”，程序會(huì)啟動(dòng)ANSYS，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的參數(shù)生成艙段的有限元分析模型。圖7所示為在平臺(tái)下建立的某典型艙段的三維設(shè)計(jì)模型和有限元分析模型。

圖7 某典型艙段三維設(shè)計(jì)模型和有限元分析模型

步驟4:在ANSYS軟件里對(duì)艙段進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)結(jié)果回到主界面，再對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)上述步驟1～3，直到得到合理的產(chǎn)品為止。

運(yùn)用本文開(kāi)發(fā)的平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)飛行器艙段結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)進(jìn)一步分析計(jì)算，最終可以得到符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品。

3 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法的提出和發(fā)展已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間，但是應(yīng)用在飛行器艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較少。本文針對(duì)傳統(tǒng)的飛行器艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在反復(fù)修改、重復(fù)性工作量大的問(wèn)題，研究了基于CAD/CAE集成的快速設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)出了飛行器艙段快速設(shè)計(jì)平臺(tái)。實(shí)際應(yīng)用表明，本方法和平臺(tái)有助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文提出的方法和開(kāi)發(fā)的平臺(tái)目前只實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)模型和有限元分析模型的集成，還沒(méi)有涉及二維工程圖和設(shè)計(jì)報(bào)告等，后續(xù)將進(jìn)一步深入研究。

［1］宗馳.復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品快速響應(yīng)設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2010.

［2］曲之津.地(艦)空導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2001(4):19－22.

［3］戴磊.基于CAD/CAE集成技術(shù)的開(kāi)放式參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［4］李勇，吳慶鳴.基于KBE門(mén)式啟閉機(jī)的快速設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2008(6):32－34.

［5］祁加強(qiáng)，谷良賢.基于CATIA的導(dǎo)彈參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007(5):10－11.

Research of Rapid Design on Aerocraft Cabin Structure

CAI Min，XIAO Renqin，HU Shangang，BAO Yongding(Designing Institute of Hubei Space Technology Academy，Hubei Wuhan，430040，China)

The aerocraft cabin structure design has large amount of repetitive work during the design process，Based on the rapid design technology，it presents a rapid design method of aerocraft cabin structure found on the integration of CAD and CAE.Using Visual C++language，database，human－computer interaction technology and so on，it develops a platform and realizes the rapid design of aerocraft cabin.This helps designers to improve efficiency，shorten the product development cycle.

Aerocraft Cabin;Rapid Design;CAD/CAE Integration

TH122

A

2095－509X(2013)05－0019－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.005

2012－12－28

蔡敏(1987—)，男，安徽蕪湖人，湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所工程師，碩士，主要從事機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。