艦載機(jī)機(jī)翼模型的快速建模技術(shù)*

梁振剛，韓 鐵，張廣榮，袁志華，段 梅

（1.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；3.解放軍92840部隊，山東 青島266405；4.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；5.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司研究所，沈陽 110045）

艦載機(jī)機(jī)翼模型的快速建模技術(shù)*

梁振剛1，2，韓 鐵1，3，張廣榮4，袁志華1，段 梅5

（1.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；3.解放軍92840部隊，山東 青島266405；4.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；5.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司研究所，沈陽 110045）

艦載機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中需要建立大量的復(fù)雜仿真模型，傳統(tǒng)仿真軟件不能解決其快速建模問題?；诤娇疹I(lǐng)域中廣泛使用的CATIA設(shè)計平臺，提出了一種針對某型號艦載機(jī)機(jī)翼模型的快速建模方法。通過對模型種類劃分、建?；鶞?zhǔn)及建模標(biāo)準(zhǔn)化流程的封裝，建立了機(jī)翼中各類組成零件三維模型的快速設(shè)計模板，實(shí)現(xiàn)了快速自動建模。結(jié)果表明，機(jī)翼骨架快速建模系統(tǒng)能夠建立優(yōu)質(zhì)高效的三維模型，為整機(jī)的分析及系統(tǒng)的仿真提供了有力的保障。

艦載機(jī)，優(yōu)化設(shè)計，仿真模型，CATIA，快速建模

0 引言

艦載機(jī)是航空母艦最主要的武器，其性能的好壞直接體現(xiàn)了航母的戰(zhàn)斗力。隨著我國第一艘航母——遼寧艦的下水，艦載機(jī)的研制任務(wù)也變得更加迫切。本文以此為背景，開展了某型號艦載機(jī)機(jī)翼骨架仿真模型的快速建模技術(shù)研究。

仿真是復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)研制必須的手段，所謂計算機(jī)仿真，一般是通過建立逼真的仿真模型來模擬真實(shí)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的過程，再進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)來研究設(shè)計中的系統(tǒng)［1］。傳統(tǒng)仿真軟件很難勝任機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的三維建模工作，因此，對一些零部件，如翼肋、翼梁、懸掛接頭等采用CAD系統(tǒng)建模的方法會比較便捷［2］，但這種建模工作中會存在一些影響仿真效果或工作效率的因素。首先，不同操作者在手動建立三維模型過程中的表示方法、設(shè)計模式、參照標(biāo)準(zhǔn)往往會因個人知識背景或其他眾多不確定因素而導(dǎo)致數(shù)據(jù)模型有所差別，即模型的質(zhì)量不能得到很好的保證，所以在向仿真分析系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入CAD模型的時候常會存在圖元丟失、不易劃分網(wǎng)格等問題［3］；其次，機(jī)翼的打樣設(shè)計階段是一個伴隨有計算和分析、修改和優(yōu)化的循環(huán)迭代過程，需要建立大量的仿真模型作為設(shè)計基礎(chǔ)。所以通過CAD系統(tǒng)手動建模的方法工作量繁重，耗費(fèi)了設(shè)計人員寶貴的時間與精力。

本文以CATIA V5設(shè)計軟件為平臺，利用CAA作為二次開發(fā)工具，通過特征拼接的方法并結(jié)合有關(guān)的API函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼典型件模型的快速建模，為進(jìn)一步的仿真計算奠定了基礎(chǔ)。

1 艦載機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析

機(jī)翼作為一種復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)，通常由展向（翼展方向）骨架，如：翼梁、長桁、前后墻和弦向（橫向）骨架，如：普通翼肋、加強(qiáng)翼肋以及表面蒙皮等共同組成［4-5］，如圖1所示，下面就針對幾種典型的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析。

圖1 機(jī)翼結(jié)構(gòu)

翼梁：是機(jī)翼在翼展方向最主要的受力單元，其根部通過對接接頭與機(jī)身固定。翼梁一般由腹板、上下緣條以及對接帶板組成，為保證梁的穩(wěn)定性通常在其腹板兩側(cè)沿縱向布有加強(qiáng)立筋。

長桁：用于翼肋與蒙皮之間的連接，同時具有一定支撐作用，其各段剖面形狀基本相同，可以分為開截面桁條和閉截面桁條。為貼合壁板內(nèi)表面同時方便連接，長桁通常在中段添加下陷，在末端加工出梯度連接端。

前后墻：也統(tǒng)稱為縱墻，與蒙皮相連接，多布置在機(jī)翼的前后邊緣處，其根部通過鉸鏈與機(jī)身固定?？v墻結(jié)構(gòu)與翼梁相似，但其緣條較弱，腹板上也沒有減輕孔。

翼肋：外形和機(jī)翼輪廓大致吻合，可分為普通翼肋和加強(qiáng)翼肋，前者用于維持機(jī)翼的整體形狀，后者的作用則是將副翼和起落架等傳來的集中力分散傳遞給翼梁、縱墻和蒙皮等構(gòu)件。翼肋的結(jié)構(gòu)要素主要包括：腹板（網(wǎng)）、翻邊（表面肋）、長桁缺口（切口）以及彎邊減輕孔（肋孔）等特征。

2 機(jī)翼零件的參數(shù)化建模

實(shí)現(xiàn)機(jī)翼仿真模型自動建立的實(shí)質(zhì)是通過編程控制，使建模者的數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)則傳遞到CATIA V5系統(tǒng)，這需要訪問軟件系統(tǒng)的內(nèi)部資源和數(shù)據(jù)［6］，而利用CATIA V5的二次開發(fā)工具CAA能夠很好地實(shí)現(xiàn)這一過程。CAA是法國達(dá)索公司為CATIA系統(tǒng)提供的組件應(yīng)用架構(gòu)，有著豐富的命令函數(shù)，它是基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，通過搭建對象模型和對象連接，結(jié)合嵌入技術(shù)來實(shí)現(xiàn)CATIA二次開發(fā)的。

在確定零件參數(shù)和建?；鶞?zhǔn)的基礎(chǔ)上，使用程序驅(qū)動法編寫的機(jī)翼零件的快速建模程序可與CATIA建模軟件連接后編譯運(yùn)行。該方法通過與用戶的交互完成設(shè)計工作，集成度高，能把設(shè)計中的參數(shù)關(guān)系、幾何約束和工程約束關(guān)系直接賦予程序中。這樣可以很大程度上方便機(jī)翼零件的快速設(shè)計，同時提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。

以機(jī)翼內(nèi)應(yīng)用最廣的翼肋件為例，將其主要幾何參數(shù)概括為：上下兩緣條分別距離上下翼面的偏置量m1和m2、兩側(cè)端頭的偏置量m3和m4、上下兩緣條的寬度B1和B2、兩側(cè)端頭的寬度B3和B4以及豁口的長度與深度即M和N等，如圖2所示。

圖2 翼肋參數(shù)

同時結(jié)合翼梁的自身形狀及其在機(jī)翼中的位置，將翼肋的建模基準(zhǔn)概括為：梁軸線、上翼面、下翼面、肋軸線、端頭軸線和機(jī)翼弦平面等，如下頁圖3所示。

在此基礎(chǔ)上可將該仿真模型的自動建模原理總結(jié)如下，如圖4所示。

（1）通過交互式界面得到零件參數(shù)及建?；鶞?zhǔn)；

（2）利用CATIA命令函數(shù)將規(guī)范化的建模流程封裝在對應(yīng)的模板內(nèi)；

（3）調(diào)用模板，通過特征拼接，自動建立仿真模型。

圖3 翼肋建?；鶞?zhǔn)

圖4 建模原理圖

3 機(jī)翼零件建模模板

3.1 模板的設(shè)計

模板是一組針對某類型零件預(yù)先編寫好的程序代碼，它可以模擬仿真模型在創(chuàng)建過程中的人機(jī)交互操作。所以在進(jìn)行某類仿真模型建模時通過調(diào)用匹配的模板，結(jié)合要求做適當(dāng)?shù)脑O(shè)定即可通過程序驅(qū)動快速得到理想的三維模型。

艦載機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)由翼梁和翼肋等主要元件及多種接頭、角鋼等次要原件組成。因此，可將仿真建模的對象劃分為：普通機(jī)加件、鈑金件、結(jié)構(gòu)機(jī)加件、型材和典型特征等5類零件。通過對CATIA二次開發(fā)定制出機(jī)翼典型零部件的參數(shù)化建模模板庫菜單，如圖5所示。

圖5 模板庫菜單

機(jī)翼仿真模型的快速建模模板包括：零件模板的選擇模塊（如圖6）、建模基準(zhǔn)的拾取模塊（如圖7）和模型參數(shù)的輸入模塊（如圖8），它們可引導(dǎo)操作者為零件的快速建模做正確的輸入以便后臺程序的順利驅(qū)動。

圖6 零件模板的選擇界面

圖7 建?；鶞?zhǔn)選擇界面

圖8 參數(shù)輸入界面

模板具體設(shè)計過程通常參考設(shè)計者手動建模時的操作順序進(jìn)行設(shè)計，現(xiàn)以翼肋為例說明其模板的設(shè)計過程：

（1）定義鼠標(biāo)拾取動作并拾取構(gòu)件要素；

（2）判斷基準(zhǔn)元素的選取順序及數(shù)量是否有誤；

（3）插入幾何圖形集，用于放置建模過程中產(chǎn)生的用于參考的點(diǎn)、線、面等幾何元素；

（4）創(chuàng)建翼肋的通用毛坯基體，具體包括創(chuàng)建定位草圖、繪制并約束草圖、拉伸凸臺、判斷設(shè)計者選擇翻邊的類型等過程；

（5）創(chuàng)建翻邊、減輕孔、切口等特征。

3.2 模板的程序封裝

通過CAA編程實(shí)現(xiàn)仿真模型的建立。首先需要結(jié)合有關(guān)的航空標(biāo)準(zhǔn)及后續(xù)分析仿真步驟的要求來分析該模型在CATIA中的建立步驟；再將建模步驟細(xì)分成若干節(jié)點(diǎn)，如定位草圖SetAxisData（）、繪制圖元CreateLine（）、約束草圖CreateConstraint（）、創(chuàng)建特征CreatePad（）和布爾運(yùn)算CreateAdd（）等，通過CATIA的各API接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)這些功能節(jié)點(diǎn)；最后實(shí)現(xiàn)自動建模的目標(biāo)。通過模板實(shí)現(xiàn)仿真模型自動建立的過程可以概括如下：

（1）在CATIAV5中打開整個機(jī)翼結(jié)構(gòu)的仿真模型；

（2）為待建立的仿真模型選取最為匹配的設(shè)計模板；

（3）定義仿真模型的構(gòu)型、建?；鶞?zhǔn)及其在機(jī)翼布置處的定位基準(zhǔn)；

（4）輸入設(shè)計參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳遞給CATIA系統(tǒng)，完成整個仿真模型的建立。

4 仿真模型的快速建模實(shí)例

鈑金類零件在機(jī)翼中的應(yīng)用最為廣泛，且往往具有厚度小、曲面多、形狀復(fù)雜、精度高和特征附帶約束繁多等特點(diǎn)［7］，現(xiàn)以鈑金翼肋的仿真模型為典型實(shí)例，通過特征的有序疊加說明其快速建模的過程。

（1）通過調(diào)用CAA航空鈑金模塊的接口函數(shù)，首先將按需求自動設(shè)定鈑金參數(shù)，進(jìn)而繪制腹板草圖，如圖9所示。

圖9 翼肋草圖輪廓

在此基礎(chǔ)上通過調(diào)用接口函數(shù)，進(jìn)一步創(chuàng)建網(wǎng)和翻邊特征，得到三側(cè)翻邊鈑金肋基體，如圖10所示。

圖10 翼肋基體

（2）利用圖10箭頭指示的幾何元素作為下一個待拼接特征的建?；鶞?zhǔn)，進(jìn)一步創(chuàng)建長桁切口和彎邊減輕孔特征，如圖11所示。通過觀察圖中左側(cè)CATIA特征樹上的建模過程及零件幾何體內(nèi)的特征組成可以看出，使用這種自動建模方法得到的仿真模型具有高度的設(shè)計一致性。

圖12中是處在設(shè)計過程中機(jī)翼的部分結(jié)構(gòu)，可見翼肋等零件在整個骨架內(nèi)布置眾多，通過上述機(jī)翼仿真模型的自動建模技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)大量翼肋類零件的快速建模及布置工作，自動建模技術(shù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真提供了有力的保障。

4 結(jié)束語

在艦載機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過CATIA的二次開發(fā)建立了各類典型機(jī)翼零件的仿真模型自動建模模板。模板將建模流程進(jìn)行了固化和封裝，有效地解決了仿真模型的統(tǒng)一性建模、重復(fù)性建模等問題。

圖11 特征拼接

實(shí)例表明，該建模方法能夠穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)對機(jī)翼結(jié)構(gòu)三維模型的快速建立，對機(jī)翼乃至整機(jī)系統(tǒng)的后續(xù)仿真研究有著積極意義。

［1］廖華媛.基于GIS宏觀仿真模型的建立于應(yīng)用［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

［2］劉永強(qiáng).飛機(jī)翼身自動對接仿真系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［3］任曉莉，李麗，廖湘輝.基于CAD軟件的ANSYS實(shí)體建模［J］.機(jī)械與電子，2004（10）:77-79.

［4］郝銀鳳，王幫峰，蘆吉云，等.飛行器變體機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真［J］.計算機(jī)仿真，2013，30（9）：36-40.

［5］蔣余芬，朱紀(jì)洪，劉世前.彈性機(jī)翼動力學(xué)建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（8）:5-12.

［6］嚴(yán)曉光，陳哲，居樺，等.面向Pro_NC系統(tǒng)的加工仿真模型自動建立［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012，9（9）:6-12.

［7］羅明強(qiáng)，馮昊成，劉虎，等.機(jī)翼結(jié)構(gòu)有限元的快速建模及自動化調(diào)整［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2011，37（6）: 680-684.

Research on the Rapid Modeling of Carrier-Based Aircraft Wing Model

LIANG Zhen-gang1，2，Han Tie1，3，ZHANG Guang-rong4，YUAN Zhi-hua1，DUAN Mei5
（1.School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；
2.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；
3.Unit 92840 of PLA，Qingdao 266405，China；4.Great Wall Motor Co，Ltd.，Baoding 071000，China；
5.Institute of Liaoshen Industry Group Co，Ltd.，Shenyang 110045，China）

The optimum design process of the carrier-based aircraft wing structure needs to create a large number of complex simulation models，the modeling capabilities of traditional simulation software can not solve the problem of rapid modeling.So this paper proposes a rapid modeling method for models on a certain type of carrier–based aircraft wing，which is based on the CATIA used widely in aviation field.By the division of research on the model，modeling the benchmark and encapsulation of the standardization of modeling process，a rapid design template of three-dimensional model on various parts of the wing to achieve the fast automatic modeling is eatablished.The results show that the rapid modeling system of the wing skeleton can create 3D models with high quality and efficiency，and provide a strong guarantee for the wing analysis and system simulation.

carrier-based aircraft，optimization design，simulation model，CATIA，rapid modeling

N945.12

A

1002-0640（2015）03-0033-04

2014-01-15

2014-03-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61170146）

梁振剛（1973- ），男，遼寧沈陽人，講師，博士研究生。研究方向：CAD/CAM。