基于逆向設(shè)計(jì)的飛機(jī)腹部整流罩設(shè)計(jì)*

范歡歡， 劉韶光，王宏旭

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院, 陜西 西安 710089)

1 引 言

隨著我國(guó)低空開(kāi)放程度的不斷提高和攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，航空攝影技術(shù)在地圖測(cè)繪、線路選取、海洋監(jiān)測(cè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事和科學(xué)研究等方面得到廣泛的應(yīng)用。繼計(jì)算機(jī)技術(shù)和飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為航空產(chǎn)品的主要設(shè)計(jì)途徑。在通用飛機(jī)上進(jìn)行航空攝影系統(tǒng)改裝是進(jìn)行航拍的必要條件；選取合適的相機(jī)改裝位置并擁有該處的飛機(jī)外形曲面是進(jìn)行飛機(jī)改裝結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的前提條件。由于目前能進(jìn)行航拍任務(wù)改裝的通航飛機(jī)基本都是進(jìn)口飛機(jī)，在缺乏相關(guān)圖紙資料的前提下，如何有效的進(jìn)行基于原機(jī)外形曲面的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率成為實(shí)際工作中亟待解決的問(wèn)題。

逆向工程是指從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型、進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類(lèi)的先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)[1]。飛機(jī)外形逆向設(shè)計(jì)是指在沒(méi)有圖紙或相關(guān)資料比較少的前提下，通過(guò)三維逆向測(cè)量設(shè)備采集飛機(jī)的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用一系列的逆向點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法最終獲取物體數(shù)字化模型的過(guò)程。

逆向工程是快速實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形曲面數(shù)字化的主要途徑。與傳統(tǒng)的割板取樣方法相比，基于激光測(cè)繪的三維數(shù)字化掃描不僅效率高而且點(diǎn)云精度高，能大大提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

2 飛機(jī)逆向工程流程

飛機(jī)逆向工程的一般流程如圖1所示。飛機(jī)逆向工程是指以已有的飛機(jī)為目標(biāo)，應(yīng)用非接觸式三維數(shù)字化采集設(shè)備獲取飛機(jī)的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依據(jù)逆向設(shè)計(jì)軟件重構(gòu)外形曲面，再通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件完成基于重構(gòu)曲面模型的外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)等步驟并投入生產(chǎn)制造的過(guò)程[2]。

圖1 飛機(jī)逆向工程的一般流程

在飛機(jī)外形曲面點(diǎn)云采集過(guò)程中通過(guò)激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般是以*.ASC格式輸出。數(shù)據(jù)過(guò)濾的目的是去除與構(gòu)建外形曲面無(wú)關(guān)的點(diǎn)和由于掃描設(shè)備的誤操作而采集的跳點(diǎn)。經(jīng)過(guò)過(guò)濾的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要在逆向設(shè)計(jì)軟件下將其轉(zhuǎn)換為三角面片格式，這樣的數(shù)據(jù)格式視覺(jué)效果明顯，很容易看出飛機(jī)外形上的突出物和蒙皮搭接區(qū)域。數(shù)據(jù)分塊是將大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)依照蒙皮或飛機(jī)結(jié)構(gòu)外形曲率變化趨勢(shì)將點(diǎn)云分解為容易進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的區(qū)域，分別進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。

曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)框架，構(gòu)建曲線是指根據(jù)劃分的點(diǎn)云區(qū)域數(shù)據(jù)，在逆向設(shè)計(jì)軟件中，應(yīng)用相關(guān)的命令構(gòu)建截面線，再由截面線構(gòu)造外形曲面。當(dāng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能均勻的分布在已構(gòu)造的曲面的兩側(cè)并應(yīng)用光照、斑馬線分析、曲率分析等檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，表示該曲面構(gòu)造工作階段的完成。在逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中由曲線構(gòu)造曲面的過(guò)程是一個(gè)不斷往復(fù)、調(diào)整和修改的過(guò)程，所需要的逆向設(shè)計(jì)技巧很多，需要在實(shí)踐中根據(jù)不同的實(shí)際情況采用相應(yīng)的逆向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行處理以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。

基于構(gòu)造的飛機(jī)外形曲面的外形改型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于逆向工程中的后續(xù)設(shè)計(jì)階段，與傳統(tǒng)的基于三維設(shè)計(jì)軟件的正向設(shè)計(jì)基本相同，這里不再贅述。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果完成零部件的生產(chǎn)制造和飛機(jī)上施工工作才是一個(gè)完整的逆向工程的過(guò)程。

3 飛機(jī)腹部整流罩設(shè)計(jì)實(shí)例

賽斯納208B是單發(fā)渦槳多用途飛機(jī)，以其優(yōu)良性能、高可靠性、高適應(yīng)性和低運(yùn)營(yíng)成本，成為世界通用航空界最流行的可以改裝成航拍系統(tǒng)的小型飛機(jī)。將該飛機(jī)改裝成航拍飛行器可給通航企業(yè)帶來(lái)十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)飛機(jī)改裝任務(wù)、使用說(shuō)明書(shū)和自身結(jié)構(gòu)條件，選擇在飛機(jī)機(jī)身腹部與行李艙尾部交聯(lián)部位進(jìn)行航空攝影相機(jī)的改裝。由于相機(jī)改裝窗口的位置需要凸出機(jī)身，則需要拆除原機(jī)腹部的設(shè)備艙尾部整流罩，重新設(shè)計(jì)整流罩為相機(jī)窗口留出改裝空間。因缺乏飛機(jī)的三維數(shù)字化模型及相關(guān)資料和圖紙，擬采用逆向設(shè)計(jì)方法完成機(jī)身腹部局部曲面的模型逆向重建。

3.1 機(jī)身點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

逆向工程測(cè)量方式分為接觸式和非接觸式兩種[3]。由于新設(shè)計(jì)的飛機(jī)行李艙尾部整流罩的后端位置已經(jīng)限定如圖2所示，故采用非接觸式激光掃描儀從行李艙整流罩罩體前搭接位置掃描至結(jié)束位置(照相窗口的前端)，獲取該處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以*.ASC格式輸出，需要在逆向軟件里將其轉(zhuǎn)換為*.STL格式。由于設(shè)置的掃描點(diǎn)距比較密，所以從掃描的點(diǎn)云上可以很清楚的分辨出鉚釘及蒙皮搭接對(duì)縫位置如圖3所示。

圖2 飛機(jī)行李艙整流罩位置示意圖 圖3 采集的飛機(jī)腹部點(diǎn)云及局部放大圖

3.2 機(jī)身曲面的構(gòu)建

采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾、數(shù)據(jù)分塊等逆向設(shè)計(jì)步驟后開(kāi)始構(gòu)建NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)基礎(chǔ)曲線，依據(jù)基礎(chǔ)曲線構(gòu)造機(jī)身曲面。從圖4中可看出點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠均勻的分布在所構(gòu)造的曲面兩側(cè)，表示該曲面能與機(jī)身點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全擬合，可以此為依據(jù)進(jìn)行整流罩的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工作，從而保證所設(shè)計(jì)的整流罩與行李艙前端及機(jī)身具有良好的裝配性能。

圖4 逆向構(gòu)造的機(jī)身腹部外形曲面

3.3 整流罩的設(shè)計(jì)

依據(jù)擬合的機(jī)身曲面外形數(shù)字化模型和整流罩的安裝位置等限制條件設(shè)計(jì)飛機(jī)腹部行李艙尾部整流罩如圖5所示。整流罩由前端的矩形逐漸過(guò)渡為圓形并收尾至機(jī)身，其氣動(dòng)外形符合飛機(jī)設(shè)計(jì)的通用要求。整個(gè)罩體的上邊緣設(shè)計(jì)了安裝法蘭邊，能與原機(jī)身曲面良好接觸，并能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 基于逆向設(shè)計(jì)的行李艙整流罩外形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

將逆向設(shè)計(jì)和三維數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用于塞斯納208B腹部行李艙尾部整流罩的中，可提高該機(jī)的改裝效率和裝配精度，獲得了令人滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)制造影響意義十分深遠(yuǎn)。在不久的將來(lái)，隨著飛機(jī)逆向設(shè)計(jì)改裝技術(shù)的不斷發(fā)展以及推動(dòng)通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策和措施不斷推出，我國(guó)通航飛機(jī)航拍改裝業(yè)務(wù)將會(huì)取得突破性的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

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