基于逆向設(shè)計的飛機腹部整流罩設(shè)計*

范歡歡， 劉韶光，王宏旭

(中國飛行試驗研究院, 陜西 西安 710089)

1 引 言

隨著我國低空開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)在地圖測繪、線路選取、海洋監(jiān)測、國民經(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。繼計算機技術(shù)和飛機設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)計已經(jīng)成為航空產(chǎn)品的主要設(shè)計途徑。在通用飛機上進(jìn)行航空攝影系統(tǒng)改裝是進(jìn)行航拍的必要條件；選取合適的相機改裝位置并擁有該處的飛機外形曲面是進(jìn)行飛機改裝結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化設(shè)計的前提條件。由于目前能進(jìn)行航拍任務(wù)改裝的通航飛機基本都是進(jìn)口飛機，在缺乏相關(guān)圖紙資料的前提下，如何有效的進(jìn)行基于原機外形曲面的三維數(shù)字化設(shè)計，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率成為實際工作中亟待解決的問題。

逆向工程是指從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型、進(jìn)而開發(fā)出同類的先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)[1]。飛機外形逆向設(shè)計是指在沒有圖紙或相關(guān)資料比較少的前提下，通過三維逆向測量設(shè)備采集飛機的表面點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用一系列的逆向點云數(shù)據(jù)處理方法最終獲取物體數(shù)字化模型的過程。

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

2 飛機逆向工程流程

飛機逆向工程的一般流程如圖1所示。飛機逆向工程是指以已有的飛機為目標(biāo)，應(yīng)用非接觸式三維數(shù)字化采集設(shè)備獲取飛機的表面點云數(shù)據(jù)，依據(jù)逆向設(shè)計軟件重構(gòu)外形曲面，再通過三維設(shè)計軟件完成基于重構(gòu)曲面模型的外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計等步驟并投入生產(chǎn)制造的過程[2]。

圖1 飛機逆向工程的一般流程

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

曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)框架，構(gòu)建曲線是指根據(jù)劃分的點云區(qū)域數(shù)據(jù)，在逆向設(shè)計軟件中，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、曲率分析等檢測達(dá)到設(shè)計要求時，表示該曲面構(gòu)造工作階段的完成。在逆向設(shè)計過程中由曲線構(gòu)造曲面的過程是一個不斷往復(fù)、調(diào)整和修改的過程，所需要的逆向設(shè)計技巧很多，需要在實踐中根據(jù)不同的實際情況采用相應(yīng)的逆向設(shè)計方法進(jìn)行處理以達(dá)到滿意的效果。

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

3 飛機腹部整流罩設(shè)計實例

賽斯納208B是單發(fā)渦槳多用途飛機，以其優(yōu)良性能、高可靠性、高適應(yīng)性和低運營成本，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。將該飛機改裝成航拍飛行器可給通航企業(yè)帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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

3.1 機身點云數(shù)據(jù)采集

逆向工程測量方式分為接觸式和非接觸式兩種[3]。由于新設(shè)計的飛機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)，獲取該處的點云數(shù)據(jù)。所獲取的點云數(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)置的掃描點距比較密，所以從掃描的點云上可以很清楚的分辨出鉚釘及蒙皮搭接對縫位置如圖3所示。

圖2 飛機行李艙整流罩位置示意圖 圖3 采集的飛機腹部點云及局部放大圖

3.2 機身曲面的構(gòu)建

采集的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)分塊等逆向設(shè)計步驟后開始構(gòu)建NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)基礎(chǔ)曲線，依據(jù)基礎(chǔ)曲線構(gòu)造機身曲面。從圖4中可看出點云數(shù)據(jù)能夠均勻的分布在所構(gòu)造的曲面兩側(cè)，表示該曲面能與機身點云數(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)計工作，從而保證所設(shè)計的整流罩與行李艙前端及機身具有良好的裝配性能。

圖4 逆向構(gòu)造的機身腹部外形曲面

3.3 整流罩的設(shè)計

依據(jù)擬合的機身曲面外形數(shù)字化模型和整流罩的安裝位置等限制條件設(shè)計飛機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渡為圓形并收尾至機身，其氣動外形符合飛機設(shè)計的通用要求。整個罩體的上邊緣設(shè)計了安裝法蘭邊，能與原機身曲面良好接觸，并能滿足設(shè)計要求。

圖5 基于逆向設(shè)計的行李艙整流罩外形圖

4 結(jié) 語

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

參考文獻(xiàn):

[1] 金 濤,陳建良,童水光. 逆向工程技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國機械工程,2002(16):1430-1436.

[2] 張德海, 梁 晉. 逆向工程的流程研究和基于Geomagic的實例應(yīng)用[J].機械研究與應(yīng)用,2008(3):106-108.

[3] 馮祖軍,朱冒冒,姜振春,等. 復(fù)雜曲面數(shù)字化檢測方法的研究[J].機械與電子,2004(12):42-45.