基于結構件實例庫的飛機機體結構快速建模

馮昊成 羅明強 劉 虎 武 哲

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100191)

飛機設計是一項涉及多學科的復雜工程，相對于嚴謹縝密的理論科學而言，飛機設計更是多學科知識的綜合運用與權衡，更需要有大量的經驗和積累數據作為指導［1］.飛機結構設計與強度分析是飛機設計的主要工作之一，在飛機研制中占有非常重要的地位.根據結構設計的原始條件與基本設計要求，應用已有的結構設計經驗與知識，提出合理的設計方案以及進行具體的部件和零構件設計［2］是飛機結構設計的主要內容.因而如何實現結構設計方案和設計知識的積累與復用對飛機設計而言是一項重要的課題，實例庫的組織和建立便是其中一種有效的途徑.在這方面國外已經進行了相關的知識庫、實例庫與結構設計系統的研究與開發［3－7］，相比之下我國尚缺乏相應的結構件實例庫系統.

現代飛機設計中，結構布置與建模往往作為專業問題在初步或詳細設計階段予以考慮，其模型的構建是一項技術含量極高而又復雜繁瑣的工作，由于建模方法的多樣性和不規范性，在外形變化之后，結構模型的調整將變得異常困難，從很大程度上影響了飛機的設計效率.因此，有必要在總體設計前期引入機體結構設計與建模的考慮，建立一套規范化的結構模型快速設計手段，從而為強度、重量、氣動彈性等各項分析提供更為準確的原始數據，也為后續的結構詳細設計和強度分析奠定基礎.隨著信息與計算機技術的發展，計算機輔助飛機概念設計系統得到了大量的研究與應用［8－12］，但多數飛機概念設計系統并未將機體結構的設計納入考慮范疇，很難滿足現代飛機在方案階段結構快速設計的需求.

從以上需求出發，本文研究了面向對象的參數化飛機結構件實例描述方法，提出了飛機結構件實例庫的總體框架和實現方式，建立了系統原型.提出了飛機方案設計階段機體結構的參數化建模方法，利用北京航空航天大學自主研發的開放式飛機總體設計系統OpenCADS(Open Conceptual Aircraft Design System)［13］實現了基于結構件實例庫的飛機機體結構參數化設計.

1 結構件實例參數化描述方法

建立結構件實例的參數化描述是構建飛機結構件實例庫的前提與基礎，以下從實例參數化描述應滿足的要求和根據此要求所提出的描述方法兩方面進行論述.

1.1 實例描述方法應滿足的要求

飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形，能承受和傳遞載荷的受力構件，包括框、梁、壁板等多種類型［14］.在具有對飛機結構件這一研究對象唯一、完整、確定的參數化描述后，后續的各類結構設計分析工作才能夠順利有效地進行和完成.

參數化的飛機結構件實例描述方法應滿足以下要求:

1)結構件實例的參數化描述應包括結構件的完整幾何和非幾何屬性數據.結構件的幾何屬性包括定位參數(如外型曲面、構件定位曲面等)和截面形狀參數(如厚度、寬度等);構件的非幾何屬性主要包括結構件的功能和性能屬性，為結構的實例化設計提供基本數據與參考.

圖1 結構件實例層級模型

2)結構件實例是飛機結構設計中某一類典型結構零件或組合件的抽象，所以結構件實例的幾何與非幾何信息都需要進行相應的簡化，且必須具有良好的設計與參考普適性.

3)考慮到在總體設計的各階段利用結構件實例數據的需要，實例的描述數據必須清晰地進行分類分層.

4)由于數據來源的局限性，數據結構必須具有擴展性.

1.2 面向對象的結構件實例參數化描述

為了更準確清晰地描述結構件實例的參數以及檢索的便捷，需要對面向對象的實例參數進行分層分類.文獻［15］中提出了用面向對象的“層級模型”來表示飛機總體概念方案實例，即以自頂向下的實例-信息源-屬性組-屬性段-獨立屬性5層結構進行分解表示.本研究進一步對層級模型進行了改進，即在結構件實例的描述上采用了面向對象的層級模型描述方法，如圖1所示，圖中各個層級含義分別為:

1)實例:實例層主要記錄結構件名稱、編號、版本號和基本描述等結構件實例基礎信息.

2)信息源:信息源記錄的主要是與結構件實例方案初始設計相關的信息，如結構件實例的幾何參數和非幾何參數.

3)屬性組:屬性組按照信息源信息的不同進行細分，如幾何參數可分為直接定義的幾何參數和可根據直接參數計算得出的間接幾何參數.

4)屬性段:屬性段是對部分屬性組信息的細化分類，如結構件的直接幾何參數可進一步分為定位參數、截面形狀和截面尺寸等.

5)獨立屬性:獨立屬性是結構件實例參數層級模型的最低層次，記錄了結構件方案實例的基礎屬性，如描述截面形狀、尺寸等的所有參數.

2 結構件實例庫總體設計及實現

2.1 系統總體設計

在以上改進的結構件實例層級模型定義及結構件參數梳理的基礎上，根據結構件設計中的應用需求，提出了結構件實例庫系統的總體框架結構，如圖2所示，結構件實例庫由管理層、數據層和應用層3部分組成.

圖2 飛機結構件實例庫系統框架結構

數據層是整個結構件實例庫的主體，包括結構件幾何屬性庫、關聯知識庫、工程算法庫和材料庫等結構件基礎數據庫，通過統一的結構件實例索引機制把以上各基礎數據庫中的數據與各結構件實例進行關聯，方便查詢與應用結構件實例時進行調用.

管理層負責實現實例庫系統的管理與維護，包括結構件類型管理、結構件屬性管理和實例管理.通過類型管理用戶可以管理實例庫中的結構件類型數據，比如新建、修改和刪除梁、肋、長桁、框、蒙皮壁板等結構件類型及其子類型;通過屬性管理用戶可以管理各類型結構件的屬性信息，包括定義和修改各類型結構件的幾何參數類型、材料參數類型、關聯知識類型和工程算法類型等所需的數據屬性種類;通過實例管理用戶可以在定義完結構件類型和結構件屬性后進行單個或批量結構件實例的新建、修改和刪除，完成結構件實例的定義.通過以上模塊可以完成對數據層中的結構件實例數據進行增加、刪除和修改等維護管理工作.

應用層直接面向結構設計人員，提供結構件實例檢索和實例查看的基本功能，并通過結構件實例設計接口為實例庫系統外部的CAD設計系統提供幾何與材料等結構件信息，從而完成基于實例庫的結構件實例建模功能.應用層通過實例索引機制與數據層進行數據交互.

2.2 系統構造與實現

在軟件實現上結構件實例庫采用基于客戶端/服務器(C/S，Client/Service)的軟件結構，基于Oracle并利用VC.NET進行開發.其中管理層和應用層為客戶端程序，數據層存儲于服務器，整個實例庫系統支持通過網絡的分布式訪問.

結構件實例庫系統的建立，最重要的是各種結構件實例數據的搜集與整理.通過查閱飛機結構設計、飛機手冊等相關書籍和文獻資料［16－20］等途徑，整理并歸納了適用于方案階段結構設計的梁、肋、長桁、框、蒙皮壁板等5大類典型結構件共68個結構件實例.根據1.1節和1.2節的實例描述方法梳理了各結構件的簡化幾何模型屬性，包括各結構件的定位和截面信息等數據，圖3為典型結構件幾何屬性描述.總結了各結構件相關的結構設計知識與工程算法數據［21］，搜集了常用的結構設計材料信息［22－23］并進行了入庫.實例庫系統支持用戶自定義增加新實例，借助實例庫管理層的客戶端程序，用戶可以通過GUI交互錄入結構件實例數據或以xml數據文件格式對實例數據進行批量導入.

圖3 典型結構件幾何屬性描述

3 基于實例庫的機體結構參數化設計

通過實例庫中的結構件實例幾何信息進行方案階段機體結構的參數化設計是結構件實例庫的重要功能.利用實例庫的參數化實例設計接口，以北京航空航天大學自主研發的開放式飛機總體設計系統OpenCADS［13］為基礎實現了基于結構件實例庫的參數化機體結構快速設計.以下從機體結構參數化建模方法和系統實現邏輯等方面進行詳細論述.

3.1 機身結構參數化建模方法

3.1.1 機身結構參數化布置

典型的飛機機身結構形式有梁式結構、桁架式結構、硬殼式結構、桁條式結構和桁梁式結構［2］.現代軍用飛機和民用運輸機的機身結構受力形式多采用桁條式和桁梁式結構，由于這兩種結構形式在參數化描述和建模方法上類似，故本文僅討論在方案設計階段桁梁式結構的參數化建模方法，桁條式結構按照桁梁式結構的建模方法進行簡化處理即可.

桁梁式機身結構的主要結構件包括桁梁、長桁、機身隔框和蒙皮4種類型.在布置上其描述參數包括:①機身蒙皮厚度;②桁梁數量和長桁數量;③各桁梁和長桁沿機身軸向的起始位置和結束位置;④各桁梁和長桁在機身剖面上沿蒙皮周邊的布置位置;⑤機身隔框的數量及各隔框沿機身軸向的布置位置.在描述桁梁和長桁在機身某剖面上沿蒙皮周邊的布置位置時采用以下的方法:取該剖面的型心O′為極點，順時針方向為極角度正方向，與絕對坐標系的z方向重合為0°極角建立該剖面的極坐標系.這樣由于桁梁和長桁以機身蒙皮內曲面為布置約束，故以桁梁或長桁的橫截面型心軸線與機身剖面型心O′的連線與0°極角線的夾角θ即可唯一地確定桁梁或長桁的布置位置.圖4為典型桁梁式機身結構布置的參數化描述，圖4a和圖4b的y坐標一致，均為絕對坐標系坐標.

圖4 典型桁梁式機身結構布置的參數化描述

3.1.2 機身結構建模方法

以下分別討論適用于方案設計階段桁梁式機身結構的蒙皮、隔框、桁梁和長桁的幾何建模方法.

蒙皮的建模以機身外形曲面模型為基礎和約束，沿曲面法向向內放縮一定的蒙皮厚度，最后施加蒙皮材料屬性即可完成帶厚度的機身蒙皮模型構建.

機身隔框有環形剛框式、腹板式、構架式等結構類型［2］.由于大部分的機身普通框和加強框采用環形剛框式結構，所以僅討論環形剛框式隔框的建模方法.除了機身隔框的數量及各隔框沿機身軸向的布置位置等布置參數，機身隔框的建模還需要環形剛框的環形寬度和隔框的截面參數等隔框幾何參數.建模的過程為:①通過隔框布置參數、機身曲面獲取隔框的實際站位剖面;②通過環形剛框的歸一化結構件截面參數、環形剛框的環形寬度、站位剖面和機身蒙皮曲面模型得出隔框站位面處的實際結構件截面形狀;③將隔框結構件截面以機身蒙皮曲面外形為約束，沿站位剖面與機身曲面的交線為引導線進行放樣生成實體模型;④附加隔框的材料屬性信息.圖5為機身隔框的幾何建模過程.

圖5 機身隔框幾何建模過程

桁梁和長桁的建模方法類似，以桁梁的建模方法為例，建模過程為:①根據桁梁的布置參數獲取桁梁的起點和終點站位剖面及沿機身軸線方向的布置平面;②獲取桁梁截面幾何參數信息;③將桁梁結構件截面以機身蒙皮曲面外形為約束，沿布置平面與機身曲面的交線為引導線進行放樣生成實體模型;④附加桁梁的材料屬性信息.圖6為機身桁梁的幾何建模過程.

圖6 機身桁梁幾何建模過程

3.2 機翼結構參數化建模方法

機翼結構由蒙皮、桁條、翼梁、縱墻和翼肋等5種類型結構件構成.蒙皮骨架式翼面是最常見的翼面結構形式，又可分為梁式、單塊式和多墻式結構形式［2］.梁式結構是應用最為廣泛的機翼結構形式，而在模型構建方法上單塊式和多墻式結構與梁式結構類似，所以本文僅討論在方案設計階段梁式機翼的參數化建模方法，單塊式和多墻式結構參考梁式機翼進行推廣即可.

在布置上梁式機翼結構的描述參數［24］包括①機翼蒙皮厚度;②翼梁、縱墻、桁條的數量和翼平面布置點;③翼肋數量和翼平面布置點.

梁式機翼結構的蒙皮建模與機身蒙皮方法類似，采用以翼面曲面模型為約束加厚的方法進行幾何建模.

翼肋的建模過程為:①通過布置參數得到翼肋的布置平面及起點和終點站位剖面;②獲取歸一化結構件截面參數并以蒙皮曲面為約束得出翼肋實際截面形狀;③將翼肋結構件截面以機翼蒙皮曲面外形為約束沿布置平面進行放樣生成實體模型;④附加翼肋的材料屬性信息.圖7為機翼翼肋的幾何建模過程.

圖7 機翼翼肋幾何建模過程

翼梁、縱墻和桁條等機翼縱向構件的建模方法與機身桁梁類似，通過布置參數和結構件幾何屬性參數獲取結構件實際截面，再沿機翼蒙皮放樣即可生成結構件幾何模型.圖8為機翼翼梁和縱墻的幾何建模過程.

圖8 機翼翼梁/縱墻幾何建模過程

3.3 交互式結構快速設計實現邏輯

基于3.1節和3.2節討論的機體結構參數化建模方法，以開放式飛機總體設計系統 Open-CADS為基礎實現了基于結構件實例庫的交互式結構快速設計，實現邏輯如圖9所示，具體過程為:①在OpenCADS環境中完成機體蒙皮曲面和機體結構布置參數的定義;②在結構件實例庫中交互式地選擇所需的結構件實例并通過實例庫的參數化實例設計接口將結構件定位面參數和歸一化截面參數等結構件幾何屬性參數傳入Open-CADS環境中;③結合機體蒙皮曲面和結構布置參數將結構件幾何屬性參數實例化生成結構的實際定位面和實際截面信息;④以機體蒙皮曲面為約束進行參數化造型并附加材料屬性生成機體結構模型.

圖9 基于實例庫的飛機結構快速設計實現邏輯

4 應用實例

為說明本文所提出方法的有效性，給出了基于結構件實例在OpenCADS系統中所實現的某型飛機機體結構設計方案和建模模型.

本方案機身采用桁梁式結構，桁梁設計選取結構件實例庫中的工字型截面擠壓型材桁梁結構件實例，長桁設計選取結構件實例庫中的L型截面板彎成形結構件實例，機身隔框設計選取結構件實例庫中的環形剛框式鈑金普通框結構件實例和環形剛框式機加工加強框結構件實例;翼面結構設計采用多墻式結構，翼梁和縱墻設計選取T型截面擠壓型材組合腹板梁結構件實例，翼肋設計采取工字型截面整體機加成形肋結構件實例.圖10和圖11為結構設計方案整體和細節模型.以此結構設計方案模型為基礎附加材料屬性信息由系統計算所得的結構主要質量特性見表1.

圖10 基于實例庫實現的某型飛機結構設計方案

圖11 方案模型細節

表1 方案機體結構質量特性

5 結論

1)研究了參數化結構件實例描述方法應滿足的要求，提出了改進的層級模型實例描述體系，建立了面向對象的、抽象化且完整的飛機結構件實例參數化描述方法.

2)在飛機結構件實例層級模型定義及參數化描述的基礎上，提出了結構件實例庫系統的總體框架結構，開發了系統原型.利用公開資料搜集與整理了各種典型結構件實例數據并進行了數據的入庫.

3)研究了方案設計階段飛機機體結構的參數化設計方法，利用實例庫的參數化實例設計接口，以開放式飛機總體設計系統OpenCADS為基礎實現了基于結構件實例庫中的結構件實例幾何信息的參數化機體結構快速設計，并通過一個應用示例驗證了方法和系統的有效性.

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