1、计算机工程与设计Computer Engineering and Design 200930 0 6) 3887开发与应用大型客机概念设计的外形参数化CAD模型湛岚， 余雄庆， 沈琼(南京航空航天大学飞行器先连设诗技术国防重点学科实验室，江苏痢京210016)摘要：为了加快飞机概念设计中外形造型的进程，应用一种基于形获函数分类函数雯换的参数化建模方法，研究出一种针对大型客枫CAD模爱的外形参数化方法该方法可以用较少的参数来完成机身，枫翼、糕舱帮飞机部件的外形建模采用CAnA二次开发技术，开发了一个面向大型客机概念设计的参数化CAD模型快速生成的软件。精魔测试表明，用该软件生成的机翼机身组合体C
2、AD横型觅会能满足概念设计的精度需求，并为以后进一步实现客机多学科设计优化系统打下了基础关键词：飞机设计；计算机辅助设计；参数化模型；概念设计；客机中图法分类号：TP39172 义献标识码：A 文章编号：10007024(2009)16388704Parametric CAD model of aircraft configuration for civil jets conceptual designZHAN Lan，YU Xiongqing， SHENG Qiong(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense-Adv
3、anced Design Technology of Flight Vehicle，Nanjing Universi锣ofAeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract：To provide all efficient way to shorten cycle ofaircraft conceptual design and reduce the workload，a parametric mathematicalmodel for civil jets is proposed by using class function
4、 and shape function transformation method,which call USe relative few parametersto describe the components including fuselage，wing,nacelle and empennage。The software，which call automatically generate theCAD model ofthe civiljets，WaS developed using API ofthe commercial CAD software CATIAA wing-body
5、CAD model generatedby the software is validatedIt is concluded that the accuracy ofthe CAD model is quite satisfactory for conceptual design of the civiljets and is used for the multidisciplinary design optimization of the civil jets。Key words：aircraft design；computer aided design；parametric CAD mod
6、el；conceptual design；civil jet0引 言在飞机概念设计中通常用组参数来描述外形设计方案。所谓飞机概念设计中的外形参数化CAD模型就是基于这组描述设计方案的参数所生成的三维CAD模型。飞机外形参数化CAD模型不仅为各种方案的比较提供了一种直观形象的表达方式，而且也是飞机总体多学科设计优化(MDO)的基础，它为各学科的分析和优化掇供一个统一的几何模型n-。面向飞行器概念设计的CAD模溅，近十几年来一直为飞行器设计人员所重视。波凿公闭的Vandenbrandc等研究人员比较系统地研究了面向飞行器的外形CAD模型的要求和建模方法锄，Manning等承l粥一种CAD软l譬编程
7、接I：1(CAPRIDj)瓷NASA静天地往返鼍符器多学秘分撰藕饶绽设诗环境开发了一个死鹰建模工其ComGeomfll，剩潮该工兵霉获邃生残冬耱憨壁飞行爨羚形，势髓力气凌、煞力学等学辩垒藏表瑟秘捂数囊。Rodriguez等应鬻Java缀弦添京为飞行爨总傣凌诗专门嚣发了一个抉速死嚣弓|擎(RAGE)f，l。金海波等在ACIS足褥造型平台上，基于NURBS建模方法，初步建立飞机外形的参数化设计模型”，实现了在概念设计阶段能观察备部件的三维外形。Goudemans等应用面向对象的编穰方法为飞机概念设计开发了一个快速几何建模软件，并甜为质量估算、气动分析等学科提取相关的外形信息”l。飞机外形复杂，如何
8、用组较少参数来比较精确地描述飞机外形是一个难点。在目前研究中多聚用了样条方法(如NuRBS)来描述飞机外形。虽然NURBS方法能较精确地描述飞机外形，但所需控制参数太多，鼠参数缺乏明确的物理意义，不便于在概念设计中获得有效的戍用。最近，波葺公司的Kulfan等针对这些闯题提出了一种基于形状函数分类函数交换的参鼗化方法(class functionshape function transformation，CS耐珊，这种方法的优点是参数疑窍鹗确麓尼键含义，聚需控铡参数较少，逶惩经强，建模壤缱较瓣。本文蠢大藿雾瓤总体浚诗乎螽努发涤纛为鹜象，铮慰终澎参数曩：CAD模登霾蔻，基于CST弱参数纯方法，建
9、立垂淘大墅客筏概念漫诗魏努澎参数化数学模毽；瘦孀CATIA二次骏璃日期：20081229：修订鞫期：2009-02-t3。作者筒灸：湛岚(1985-)，女，源器南京入，硕士研究生，研究方向为多学科优化设计、飞机辨形参数纯设计； 余礁庆(1965一)，男，重庆人，博士，教授。研究方向为“飞机总体设计和多学科优化设计； 沈琼(1985-)，男，河北秦皇岛入，硕士研究逝，研究疗向为飞行器总体设计。E-mail：lealanchinehotmailcorn万方数据3888 2009，30(16) 计算机工程与设计Computer Engineering and Design开发技术，开发了一个W攫撰概
10、念设计参数能自动生成外形CAD模型的软件：弗jc尊掰焦成豹CAD模型静精度以及在气动分板帮优化孛霹瘦爝矬遴纾了毅诞。l基于CST的参数能建模在飞魂概念设诗巾，送鬻壤撵特薤裁嚣耪缀囱(或震彝)轮纛线，通过藏群泉生成三终羚形。困扰，飞祝夕形参数亿模墅关键闯题是如俺用一缀较少翡参数来描述特征割蟊和缀向轮廓线。CST方法悬Kuff黼掇出的种飞机翼型参数化建模方法嘲，后又将该方法攘广般剖面和曲线的建模。以下首先介绍基于CST翼型参数化建模方法，然后阐述一般形状剖面或曲线的参数化建横方法。11翼型建模翼犁在直角坐标系的定义如图1所示，其中c为翼型弦长，上弧线和下弧线在尉缘的交点与X轴之间的z向距离为后缘厚
11、度Az。，图1所示的情况z。为负值。灏I冀型辑定义基于CST豹翼黧参数纯建模豹基本愚爨是：将冀型表示隽形状强数秘分类瞒数穗鬃豹影式，霉叠热翼鍪爱缘淳度现，葵数学表达式必詈。軎l一寺丢泌争o+詈挚 (1)式中：瓯晓卜分类蕊数，寝遮式为C(xc)=k(xcY”(1眈P (2)S(xc)为形状函数，袭选式为S(xc)=(二)(a)Nl*05，N2一I(b)Nl=05，N2=05c)Nl；O75，N2=0，75以l=O75，N“2=n25图2 不嗣N1、般数值辫描述的曲线形状对于形状函数，粥镌懑鞭戆多颈式采定义，其数学表达为BPn=芑叛巅l一秽。 f4)式孛：x戆变纯蕊嚣为羚，l】：玩系数因子，由下式
12、绘窭 霸蒜降揣圆那么肇使形状瀚数娜以宠义为S0嵇)*如“1一xr (6)式中：x为=翩f一0-nNI )4柙哪 +舰十理V 7式中：l，N2分副为翦缘黪缘形状的控制系数，五帮为控翻点豹互囊坐标豹取毽。按慧CST翼鍪参数绽建摸方法，攘潮翼鳖兹参数逢：N1、怒、Azm南一骧及该点骚瓣森麴Z蠢警搽。这些参数其套疆确魏魏蓬含义。参数酶个数墩决予掰选雳懿信愚焱毽多矮式匏除数，若选餍4阶德愚簸璐多项式，则控制翼型豹赫。的个数为5个。一般来说，随蒋俩憋斯毽多颁式阶数的增加，生成翼型的丰富程度越强，或拟合翼型的精度越高。12机身类形状剖面建模通过选择适当的分类函数，W将CST方法推广到一般流线型曲线的描述，不
13、仪可用于机身和短舱剖面形状的描述，也可用于机身和短舱纵向轮廓曲线的表述。例如，将一个闭合的剖馘分为上下两部分，如图3所示是上半部的形状。根据CST方法，表述该外形的数学表达式为以，7)=Su(q)c(叩) (7)式中：su(珂卜上部分形状幽数，烈节卜分类函数，其表达式分别为鼬(咖=妇(叩)【矿(1智)”卜2 (8)识秒=笮(1-r)黼 (9)(0)=2185(1一野严 (擒)式中：=yw，5=zh。!垒 、i w一2b一一 y图3点带部分截面形状如果形状函数保持不变，满分类蛹数的系数发生变化时，剖面的形状也会发生相应的变化，类似于图2，不同的M，的取值，可以描述4i同的曲线形状。因此，应用CS
14、T方法，通过设置适当的分类函数中系数M和M以及形状函数，可以描述各种机身(或短舱)剖面外形。13一般曲线的建模在大型客机的外形设计中，机身和短舱张侧向(YZ平面)的投影曲线均属于一般曲线，如图4所示。这种曲线的建模方法也可采用翼型建模的方法。如阁4所示，：。为曲线开口端的高度，通过对参数N1、N2的调褴，可控制曲线的起点和终点的形状。然后再摄锈五、这憋所对应躬Z禽避标班及各段馥线豹长度，来完成蘧线建模。综主所述，霹潋番爨CST方法舆旃缀瀑戆尼谤努髟撵述熬力，霉敬爱一维较少熬、爨蠢骥确死穗含义憨参数来精确逮攒透各秘豹翼鍪、橇务裁纛秘一般麴线，惫橇鬓类窝壤隽类努一一。薯篡：乏二图4一般平豫曲线形状
15、的描述万方数据湛岚，余雄庆，沈琼：大型客机概念设计的外形参数化CAD模型 2009，30(16) 3889形的参数化描述提供了一种通用的方法。2客机外形的参数化模型飞机外形主要由翼面(机翼、平尾和垂尾等)、机身、短舱等部件组成。飞机外形参数化建模的基本思路是：首先分别建立各部件的外形模型，然后通过定义部件之间的位置参数，获得全机外形数学模型。以下各节分别说明如何用CST方法建立翼面、机身和短舱的参数化数学模型。21翼面几何模型在飞机设。计中通常用翼面的剖面形状(翼型)和平面形状来定义翼面外形。(1)翼型：根据上节所述的基于CST的翼型参数化建模方法，以翼型弦向控制点处的厚度为控制参数，建立翼型
16、模型。实践经验表明：采用4阶的BPn方法，可足够精确地描述大多数翼型；采用58阶的BPn方法可生成各种超临界翼型；即使不直接控制前缘半径和后缘角参数，只控制厚度参数，也可以很好地描述翼型前缘和后缘的形状。(2)平面参数：为了能描述较复杂的机翼平面形状，将机翼分为3段，每段机翼的外形参数包括弦长、展长、后掠角、上反角、扭转角，如图5所示。给定这些参数，机翼平面形状就惟一地确定了。平尾和垂尾平面参数定义类似于机翼，只是形状比机翼简单，所需参数较少。O展长b3(且) (b) (c)图6前机身横剖面形状分类如图7所示。如果前机身头部采用保形外形，则直接运用CST方法生成。f仃图7前机身分段将前机身纵剖
17、面曲线看做为翼型后缘高度Az。比较大的曲线，通过N1、N2来控制曲线起点和终点的切线方向，然后再结合x一以及这些所对应的Z向坐标，完成曲线建模。后机身收缩段的纵向轮廓曲线描述类似于前机身。短舱参数化外形模型的过程类似于机身外形建模方法，不再赘述。一旦用参数描述了确定机身各控制站位处的剖面形状和前、后机身的纵向轮廓线，应用放样方法即可获得机身三维外形模型。23部件位置参数定义对于每个部件分别建立局部坐标系，局部坐标系的原点的设定均是相对于CATIA环境下的整体坐标系。在整体坐标系中，工轴沿飞机的展向，y轴从机头指向机尾，彳轴指向上方。翼面坐标系原点位于翼面根弦的前缘点(图7)，机身坐标系原点位于
18、机身最前点，短舱坐标系原点位于进气道端面的轴线上。只要定义好部件局部坐标系和整体坐标系之间的关系，就确定了各部件之间的相对位置。根弦长ct图5机翼平面参数的定义 3 软件的开发一旦确定了翼面平面参数和展向控制站位上若干翼型，就可通过放样方法获得整个翼面的外形。22机身和短舱参数化模型机身分为前机身、中机身、后机身3个部分，中机身一般为等剖面形状。机身外形建模的关键确定机身的剖面形状和纵向轮廓线。(1)剖面形状：民机机身的横剖面轮廓线基本为圆弧形，但是根据曲率的变化也分以下几种情况，如图6所示。图6(a)为简单圆弧轮廓曲线，应用CST的推广方法可完成参数化造型；图6(b)和(c)均为曲率发生较大
19、变化的复杂圆弧轮廓曲线，需要分别应用CST的推广方法完成每一段曲率连续的圆弧，然后运用剪切的方式来完成参数化造型。(2)纵向轮廓线：当前机身头部具有明显的座舱挡风玻璃折线的时候，可以将上半部分的纵剖面曲线分成3段来描述，根据上节所述的民机外形参数化模型，可编程实现CAD模型的自动生成。本文利用CATIA二次开发技术实现民机外形CAD模型的自动生成1。基于CATlA二次开发的额外好处是：利用CATM的内部对象还可以方便地计算出飞机各部件的外露面积、内部容积等几何特性，这些信息对飞机总体设计非常重要。CATIA为用户提供了二次开发接口和开放式的内部命令集合，其二次开发接口方式主要包括自动化对象编程
20、(CATIAautomation)和开放的基于构件的应用编程接口(CAA)。使用Automation技术，CATIA可与外部应用程序共享对象，向VB、VC、VC+等开发工具提供编程接口，同时也可访问外部应用程序对象。本软件是在VB环境下编写，利用VB驱动CATIA，完成三维CAD模型的自动生成。设计了用户界面，用户界面中提万方数据3890 2009，30(t6) 骨算机工程与设诗Computer Engineering and Design供税身、飒翼、乎越、纛熙，瓣舱等熟佟终形鹋参数输入露掰，渡袋辫释接麓参羧输入掰黯。愆户校旗努斌疆示内容输入鼗攥，窥、漆繇壤枣霹骥鞭赞二罐模繁攒魏鬟攀、鞔舞裁
21、灏、蠡赛缀巍耱簿缝、套裁税爨，凝籍程矗零浚罄壤下塞霜裳纛垒辊三维e矗蛰壤鏊。麓s海黎懋零辍释黪燮癌鹣冀攘霉簿嚣怒聚零筠懿天蘩褰凝设诗方寨。潜簧掺教羧诗斋褰，其需程爝户密搿谬改毒装参数，餐碍交辩获褥悠淑麓瀚i维CAD揆繁，大大缭短了援势蠢察CAD建模熬髓鲻。开发了一个嚣翔大鍪客桃穰念设计静参数德CAD横黧挟逋受成翡欺佟。研究结聚交鞠t程)CST方法麓用较少黪、爨蠢囊溪蔻辩食义豹参数寒建立撼翼、耩赛簿瓣咎矫形数攀貘稳，鸯失墼嚣瓣概念谈诗熬羚影参数鼗CAD建覆怒戳了静鸯羧辨方法。 笏蘩予eS苫骞法，裁臻渊A二次嚣靛羧零繇壤截瓣羧律，实鼹了犬登骞穰辩澎参数键CAD横型菠馥磷釜成，繇黧戏黪CAD摸型惹黉
22、遨澎格式转换，虢懋工蹙器纛接莱蘑。事实上该毂僚基在蔡犬溪昝枕撼念设计审获褥了裙步澎媾，西验诞了谈较转蒸寄捩逮黪茂方鬃。快速生戏矫形兰维CAD揍黧的谚戆。8)辩生战翁撬冀一橇爨绥鸯体CAD模型鲮壤虞骏迸袭辨，所囊成龄CAD搂燮宠受勰满魑襁念设计的精度需求，说掰奉文所采用薛建模方法荦睡鹱串稽发撞术是合理豹。4翼精雄璃=自|紫 (b)怒结稚髑万鬟图8嫩成的皇雅eAD霉钒横型 参考文献：4耩凄验诞迸霹萦蘸飞枫梳囊一撬爨缝套髂瓣灏澜试疆镤受采赣证零交参数托三缭CAD建横方法缝达裂鲍鞲壤。嘏器藏灞诚辘祝冀一枫身缀合俦摸囊，援淑掇鬟鞫拣赛豁冗秘缮爨，葩魏蘩辍势艇瑾、罄魏身缀粼籁照缓番殴菠翻蕊Z是瓷檬、懿辍赛
23、黎瑟篱菠塞壤等，然嚣裂麓零变瓣逮懿参数继嘉法稔黎黉薅撬巽一撬骞缝合薅壤登鍪麟鼗镤，势每漂裔戆三绻攀澎蠖二镶耀辩避孬淀袋。隗较瓣缝巢辩下：鬻该方法羧仓窭熬翼型默淡蹙卞瓤爨露禳好麓糖攫，罐天溪差不怒避0；15。霹予簿裁骞上交嚣蘸线，缀然穰赛头部会鸯麇羚盖捧袋玻璃，澎状笺祭，趣掰生成瓣鞠线岛鞭露辫澎韵魏线基本嘲食，镶大诿燕不超涎3。i；黼戆税黪下衮嚣魏线完全吻合。辑生成瓣孛瓤鸯羚辩与原鬻模囊瓮垒渤窘。怼于蕨貔赛靛上表藤，误差攘小，耀大谈鏊小予氆23辩予厥橇囊的F袭蕊，整个耱澎鞍一致，德鼹部误黎较大，鬣丈镤差必11；3，不遵通过蘸线分段驹办法采减小遮令谶莲。莓结案疆零文馥蘼CST移数饿鼗橇蓐滋藕CAT
24、tA：次并发投采，佘撼痰。飞橇瑟钵爹攀辩巍转能纯羽现状与蓑鹱殿简黼辫袭靛空靛天丈学攀5隈,2008,40(4)；417-426Vandenbrande，垂主。Grandine T氖Hogan瓮The search簸theperfect body：鞠粼CoRro!for multidisciplinat?d妫ign optimi-zationR,AIAA，2006。Crawibrd e A+Haimes RS弹thesizing勰MIX)arehitec瓿娃e洫CADR，矗l。矗。2004Manning T A，Gage P LNguyen j MComC姥,om2：A脊熔啦娃攀toot for
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29、 飞机总体多学科设计优化的现状与发展放向期刊论文-南京航空航天大学学报 2008(04)2.Vandenbrande J H.Grandine T A.Hogan T The search for the perfect body:Shape control formultidisciplinary design optimization 20063.Crawford C A.Haimes R Synthesizing an MDO architecture in CAD 20044.Manning T A.Gage P J.Nguyen J M ComGeom2:A geometry too
30、l for multidisciplinary analysis and datasharing 20045.Rodriguezl D L.Sturdza P A rapid geometry engine for preliminary aircraft design 20066.金海波.丁运亮 飞机概念设计中的外形参数化模型的研究期刊论文-南京航空航天大学学报 2003(05)7.谢岳峰.余雄庆 基于CATIA二次开发的飞机外形参数化设计期刊论文-计算机工程与设计 2008(14)8.Kulfan B M.Bussoletti J E “Fundamental“ parametric ge
31、ometry representations for aircraft componentshapes 20069.Kulfan B M A universal parametric geometry representation method-CST 2007相似文献(10条)1.会议论文 刘虎.武哲.黄俊 计算机辅助飞机概念设计研究进展 2003飞机设计是一个综合各种科学技术的复杂系统工程,概念设计在飞机研制过程中起着关键的作用.针对主要的三类计算机辅助飞机概念设计软件与方法,根据概念设计的任务分别对设计要求、设计综合、工程绘图与几何造型、气动分析、定参数、优化、性能与费用估算七个基本阶段
32、,以及其它相关方面计算机辅助设计的研究与应用进行了介绍、分析和讨论.最后总结了本领域的研究热点和发展前景,对新系统的开发提出了建议.2.会议论文 胡忠会 基于CATIA V5的三维标准件库 2002标准件在飞机设计和生产过程中具有重要的作用,合理地使用标准件,可以减少设计和生产工作量,提高飞机的可靠性.本文介绍在CATIA V5软件环境下开发的三维标准件库.3.学位论文 罗嫣春 知识处理系统的建立及其与几何系统合成的研究 1995该文围绕CAD系统怎样支持整体设计进程这个问题进行研究工作.文中依据传统CAD技术的特点,结合人工智能、专家系统技术,提出了支持设计进程的智能CAD系统的总体方案,建
33、立了知识处理系统与几何处理系统合成的智能CAD系统的结构模型.该文运用面向对象的方法,重点研究了知识库和知识处理系统,分析了设计一个面向对象的知识库及其管理系统,具有知识的存取、追加、删除、检索和一致性维护等功能;同时建立了基于模型的知识处理系统,这个知识处理系统以知识库为核心,能够表示设计过程模型和物体模型,并具有运用知识进行推理决策的能力.该文对知识处理系统与几何处理系统的合成方法也进行了研究和讨论.基于以上研究,该文设计并实现了一个具有知识处理系统支持的飞机设计的小型CAD系统-KBSCAD,在KBSCAD上完成了一个简化的飞机设计的实例.4.会议论文 戴永新.鲁攀.骆伟超 基于Web
34、Services的飞机重量管理系统 2006本文对基于Web Services的飞机重量管理系统进行了研究。文章指出，传统的管理应用系统是“主机/终端“或“客户机/服务器“(C/S)模式,随着Internet的发展壮大,这些传统模式已经不能适应新的环境,于是产生了新的分布式应用系统,相应的开发模式也应运而生。5.会议论文 王文 信息技术在型号标准化工作中的应用 2001计算机信息技术目前已成为衡量航空工业水平的重要标志,也是保证新装备设计水平、质量、进度及费效比的重要基础,以计算机信息化带动工业化已作为“十五”的重点规划之一.在这种形势下,标准化作为航空工业的一部分,是航空科研的基础性工作,标
35、准化工作带有共享性、时效性、交互性的特点,适合于用信息技术辅助以满足设计生产的需要.而要充分利用信息技术对标准化工作进行彻底改造是个复杂的过程,我们在某型号研制过程中,利用计算机信息技术在标准化管理与应用的实际工作中进行了尝试和探索,本文对在这一工作中所取得的经验和成效进行了总结.6.学位论文 张清 计算机辅助设计中CATIA系统向XFCAD系统的数据传递 1997该文介绍了在计算机辅助设计中,从CATIA系统中的三维几何实体/曲面上取出二维切面,进行适当的处理并通过CATIA的IGES接口模块CATIGS以IGES格式输出,在微机上利用作者编写的格式转换软件IGS20XF将IGES格式转换为
36、AutoCAD的DXF格式,然后通过XFCAD的DXF格式接口软件DXFMC传入二维的XFCAD系统.格式转换软件IGS2DXF提高了转换效率,减少了错误并能保持一致的高质量输出,从而提供了一个低成本而有效的制图环境,文末附有实例.7.会议论文 秦伟业 构型管理在某型飞机研制中的应用 2001本文介绍了构型、构型管理的定义、原理和在某型飞机研制中的实际应用,并结合某型号的实际情况,阐述了如何在继承基本型的基础上采用构型管理,并简介了目前取得的经济及社会效益.8.会议论文 丁惠梁.孙宪学.陈文浦 优化设计程序及其飞机设计中的应用发展 9.学位论文 吴为 从传统飞机设计转变到现代飞机设计的方法研究前机身理论图的CATIA模型建立 2000该文探索在批生产上全面实施现代CAD技术的方法,讨论了现代飞机生产的CAD技术应用的特点,重点研究将原飞机的理论图的飞机外形曲面在CAD系统中建立的具体方法.该文针对某型批生产飞机的前身理论图在CATIA软件中建立曲面的问题进行了大量的研究工作,重点探讨了如何转化多项式曲面、CATIA几何接口在转化中的应用方法、曲面误差的检查、校正等工程问题.10.会议论文 曹名 应用微型计算机辅助飞机设计中图形输出技术的研究 1985本文链接：http:/
