飛機外形參數化設計的應用探索

廉 佳

海軍駐閻良地區航空軍代室，西安 710089

飛機外形參數化設計的應用探索

廉 佳

海軍駐閻良地區航空軍代室，西安 710089

本文介紹了參數化設計的特點,給出CATIA系統下實現模型參數化設計的手段，著重討論了飛機外形參數化設計方法，以供飛機外形設計人員參考。

飛機外形設計；CATIA；數學模型；參數化設計

引言

隨著計算機技術、信息技術以及網絡技術的飛速發展，基于CAD/CAM系統的航空產品數字化設計正在推廣應用，尤其體現在各種新型號研制中，都廣泛地采用了數字化設計制造技術。

由于航空制造業市場的競爭日趨激烈，型號研制任務越來越多，研制的周期、質量和成本等因素對飛機制造業的影響也越重要。而先進的設計方法、手段以及實施途徑是最有力的保證。如何快速建立滿足各種方案設計、預研要求的飛機外形數學模型，已成為急需解決的問題。參數化設計為快速地生成飛機三維外形數模提供了一種有效的途徑。

1 參數化設計簡介

參數化設計是當前CAD技術重要的研究領域之一。所謂參數化設計是指參數化模型的尺寸用對應的關系表示，而不需用確定的數值。變化一個參數值，將自動改變所有與它相關的尺寸，也就是采用參數化模型，通過調整參數來修改和控制幾何形狀，自動實現產品的精確造型。簡而言之，參數化設計方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為可以調整的參數。對變量化參數賦予不同數值，就可得到隨參數變化大小和形狀的模型。如果建模者將參數化設計思想有始至終貫徹到整個模型設計過程中，那么在后續的工作中將會大量減少不必要的重復勞動，更可以將整個設計周期大大地縮短。

2 CATIA系統下參數化模型的建立

在CAD中要實現參數化設計，關鍵是建立參數化模型。參數化建模一直都是CAD設計人員探索的問題，其關鍵是如何用實物的特征參數來自動控制和生成實物三維模型，而且特征參數發生改變能夠自動的反映到三維模型中。CATIA系統具有參數化建模的功能，其可視化工具能使設計人員在可視化的環境下，高速高效地完成三維建模工作。在CATIA V5中可通過參數、公式、表格、特征等驅動圖形達到改變圖形的目的。

2.1 利用系統參數與尺寸約束驅動圖形

CATIA V5具有完善的系統參數自動提取動能，它能在草圖設計中，將設計人員輸入的尺寸約束作為特征參數保存起來，并且在此后的設計中可視化地對它進行修改，從而達到最直接的參數驅動建模的目的。

尺寸驅動是參數驅動的基礎，尺寸約束是實現尺寸驅動的前提。CATIA V5的尺寸約束的特點是將形狀和尺寸聯合起來考慮，通過尺寸約束來實現對幾何形狀的控制。設計時必須以完整的尺寸參數為出發點（全約束），不能漏注尺寸（欠約束），不能多注尺寸（過約束）。尺寸驅動是在二維草圖——Sketcher空間下實現的。草圖中的V和H坐標軸是尺寸約束中的參照基準，只有草圖中的圖形相對于V、H軸的所有位置關系都確定后，該圖形才能完全約束（無過約束也不欠約束）。圖形完成約束后，其尺寸和位置關系才能協同變化，系統會直接將尺寸約束轉化為系統參數。草圖修改可通過編輯系統參數直接驅動幾何形狀的改變，為三維參數驅動提供基礎。

2.2 利用用戶參數和公式驅動圖形

CATIA V5不僅具有系統定義的參數，而且還有用戶自定義參數。設計人員通過用戶自定義參數和公式的工具，可以很方便地制定出所要的各種各樣的參數以及約束這些參數的公式。CATIA V5中有幾何參數（如：點、線、曲線、曲面等）、物理參數（如：長度、質量、密度等）、無量綱參數（如：整數、實數）、字符型參數及布爾型參數等多種類型參數供用戶自行選擇。用戶自定義公式是CATIA V5中聯系系統參數與用戶參數的樞紐。用戶參數定義后，設計者可針對用戶參數與三維模型中對應的特征參數建立相應的公式，從而通過用戶參數驅動系統參數，進而控制圖形的尺寸。

3.3 其他方式

在CATIA V5中還可以利用表格數據驅動圖形，有兩種圖標文件：一種是文本格式的圖標文件，一種是Excel格式的圖標文件。設計者僅需將特征參數制成文本型或Excel型表格，通過CATIA V5本身自帶的工具——Design Table對表格的各條記錄進行訪問，從而達到修改尺寸、改變形狀的目的。此外還可通過規則和檢驗對三維模型的特征進行控制和檢查，需要通過編程來實現。

3 飛機外形參數化設計方案

（1）普及航空專業知識，提升外形設計人員綜合素質

飛機的外形設計必須滿足飛機總體設計的需求?？傮w設計需求主要是飛機的性能指標或設計指標，具體包括氣動特性、操穩特性、隱身特性以及安全性、經濟性等等，而這些指標是從設計上加以體現。比如，對于低速飛機的機翼大多采用平直機翼；高速飛機大多采用三角機翼；在隱身飛機設計中飛機口蓋、外形設計對飛機的電磁散射特性有特殊要求等。只有外形設計人員掌握了各種相關的航空專業知識，才能與飛機總體設計融為一體，更好地理解總體設計思想，具有與總體設計溝通的基礎和平臺，才能在外形設計中更好地實現總體設計意圖。

（2）建立外形設計數據庫

搜集世界上眾多現有飛機的外形數據并建立數據庫，包括飛機整體外形和部件外形，形成外形設計人員的支持性工具庫。例如：搜集各種典型飛機的外形布局、機翼形式、尾翼形式、進氣道形式、各種翼型等，建立相應的數據資料庫。

（3）化不規則體為規則體，建立規則體參數

在外形設計中，任何一架飛機都可以理解為一個具有特殊功能的不規則幾何體，而不規則體可以分解為眾多的標準幾何體，標準幾何體的三維特征參數容易確定。比如機頭可以分解為由部分球體和圓錐等構成，球的特征參數就可以定義為球的半徑、角度；圓錐的參數可以定義為輪廓線及其旋轉軸。在外形設計中確定了標準幾何體的特征參數，建立標準幾何體的參數化模型，形成標準模型庫。這樣，飛機的外形設計是否可以理解為標準幾何模型的堆積，形象地說就是搭積木。

（4）研究不規則體中各規則體之間的參數變化關系

既然飛機的外形設計可以理解為搭積木，那么，一個標準體的參數變化必然引起相關的其他幾何體的變化。外形設計中還需要探索和研究這些變化規律和規則，確定它們之間的變化關系將其參數化加以控制。飛機部件有多少個標準體組成，這些標準體之間的聯系也已經確立，那么部件設計就非常容易，其變化也有一定的規律。飛機由哪些部件組成，各部件之間的變化關系同理也能夠得到。這樣就能建立起完整的飛機外形參數化模型。有了外形參數化模型，外形設計速度和質量就會得到很大提高，最終能夠滿足飛機總體設計的需求。

4 結束語

參數化設計是CAD技術中的一個基礎而又重要的技術，參數化設計可以大大提高模型的生成和修改的速度。成為初始設計、系列設計和多方案比較的有效手段。參數化設計是未來設計發展的方向?，F階段要做的是積極學習相關知識、開闊眼界、拓展思路、吸取并掌握別人的經驗、不斷索取，從而使我們外形設計能力得到根本的提高和發展，也使我們更能適應未來設計發展的需要。

中國科協與學會負責人相約懇談 共謀學會發展大計

1月21日，中國科協全國學會負責人懇談會在中國科技會堂舉行。中國科協書記處書記、黨組成員馮長根同志就學會工作與學會負責人進行深入探討。會議由中國科協學會學術部副部長朱雪芬同志主持。中國紡織工程學會理事長孫瑞哲，副理事長王竹林、施楣梧，秘書長龔進禮等學會主要負責同志受邀到會，中國科協學會學術部有關同志參加了會議。

中國紡織工程學會理事長孫瑞哲向馮長根書記介紹了學會一年來在學術交流、科技評價、社會服務及自身建設等方面取得的成績，總結了學會工作的成功經驗。中國紡織工程學會在近幾年發展勢頭良好，在中國科協學會創新發展示范項目支持下，積極組織建立了紡織科技人才服務戰略聯盟，以提高科技人才素質、促進科技人才成長、滿足行業發展對科技人才的需求為目的，在促進紡織行業人才培養、鼓勵相關學科技術創新、加快科技與產業相結合等方面起到積極的作用。學會負責人還就學會發展中的問題與學會學術部負責同志進行了探討。

馮長根指出，學會應該充分發揮在行業內的決策咨詢作用，重視自身研究能力的建設，積極推進學會思想庫建設，創建隸屬于學會的實體性研究機構。依靠以招聘等形式建起的專業研究隊伍，既可以承擔產業宏觀規模的大型綜合性質的戰略項目，也可以研究學科前沿的具體科研項目，全面提升學會為經濟社會發展服務，為提高全民科學素質服務，為科學技術工作者服務的能力。

此次懇談會是按照書記處領導同志的指示舉辦的，以全面了解全國學會發展現狀、深入剖析學會在運行發展中的問題、加強科協與學會高層負責人的溝通為會議目的，會議進一步創新了業務主管單位與學會負責人之間的交流形式，加深了彼此的了解。今后中國科協學會學術部還將繼續以多種形式加強與所屬各全國學會的交流和協作。

“十一五”863計劃生物和醫藥技術領域專題課題驗收會在北京召開

2月23-24日，“十一五”863計劃生物和醫藥技術領域專題課題驗收會在北京召開。本次會議對2007-2008年立項的“基因操作和蛋白質工程技術”、“新一代工業生物技術”、“生物信息與生物計算技術”和“現代醫學技術”四個專題的全部課題進行技術驗收。科技部生物中心馬宏建副主任、安道昌副主任以及社發司、計劃司的有關領導參加了會議。

本次課題驗收工作共邀請包括領域專家、同行技術專家在內的約60位專家，按照任務書中規定的任務和目標、課題進展及任務完成情況、主要成果及應用、課題經費使用、固定資產購置等幾個方面進行了檢查。檢查共分為7個小組，22個省（或直轄市）的近130家單位參加此次課題驗收。

“十一五”國家科技支撐計劃“跨海特大跨徑鋼箱梁懸索橋關鍵技術研究及工程示范”項目通過驗收

近日，科技部高新司組織專家在舟山市召開了“十一五”國家科技支撐計劃項目“跨海特大跨徑鋼箱梁懸索橋關鍵技術研究及工程示范”的驗收會。該項目由交通運輸部作為組織部門，有14個單位參與共同完成。

該項目主要針對跨海特大跨徑懸索橋的建設，重點開展了結構體系與抗風性能、關鍵材料與施工控制關鍵技術、建設管養技術等方面的研究與應用示范攻關。驗收專家組聽取了項目承擔單位關于項目研究的相關匯報，審閱了相關資料，視察了依托工程現場。

專家認為項目研究形成的海洋環境特大跨徑鋼箱梁懸索橋勘察設計、抗風、關鍵材料、施工、結構監測、養護管理等建設核心技術，體現了當代橋梁的最新建設理念，支撐了世界最大跨度鋼箱梁懸索橋-西堠門大橋的安全、優質和高效建成，并在行業標準規范和多座大跨徑懸索橋梁建設中得到了推廣應用，對于現代橋梁技術發展具有重要的推動作用，社會和經濟效益顯著，項目主要創新成果達到國際領先水平。驗收專家組同意該項目通過驗收。

通過本項目研究共總結技術報告98篇，出版專著7部，研發大跨徑懸索橋設計、施工分析軟件7套，發表論文120篇，開發新產品4項，取得專利26項，其中發明專利9項，取得工藝、工法6項，形成生產線2條，編制標準、指南13部，培養了一批橋梁建設高科技人才。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.009