知識驅動飛機翼面結構快速設計

唐家鵬 席 平 胡畢富

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191）

許進峰

（上海航天技術研究院，上海201109）

飛機的結構設計、分析和優化是一個不斷迭代的過程，要求在初步設計階段就能夠快速進行結構布局.基于知識的參數化設計是通過對產品的特征實例、尺寸參數和檢驗規則等元素的控制來驅動產品全關聯參數的變更，從而達到模型的自動設計，是實現飛機翼面結構建模和快速設計的最佳手段［1］.目前，飛機翼面結構的布局和實體模型的生成通常由設計人員手動交互實現，設計質量和結果嚴重依賴設計人員的技術水平和經驗，設計過程中缺乏有效的數字化手段對設計知識和經驗進行積累，同時相關的規范無法得到有效的貫徹，這種方式很難滿足企業對建模過程快速化的要求.本文提出了模板參數化的方法，將設計過程中的設計方法和定義規則等知識封裝為模板，開發了知識驅動的飛機翼面結構的快速設計系統，以翼面的外形和結構尺寸參數作為輸入，實現翼面結構的自動布局，并能夠根據優化結果改變輸入參數，實現模型的快速修改，在布置模型基礎上自動實例化，可以快速生成結構的實體模型.

1 參數化工具選擇

CATIA是航空企業進行結構設計最常用的CAD建模軟件和手段，參數化設計都基于CATIA環境進行.CATIA V5中可定制的有效的參數化存在4種不同層次，最重要的參數化工具包括組件 應 用 架 構 （CAA，Component Application Architecture），VBScript，智能軟件（知識模式、用戶自定義特征（UDF，User－Defined Features））和CATIA本身參數化，如圖1所示.其中CAA的可定制程度最高并且由CAA C＋＋API提供的界面最優，但其程序語言相對復雜且對用戶要求比較高，VBScript雖然在功能上不及CAA強大，但開發難度小，能夠與CATIA更好地兼容，并完全可以滿足翼面結構開發的功能要求［2］.

UDF能實現任意復雜的幾何特征體的參數化建模，被認為是CATIA中非常獨特的功能，UDF可以通過知識模式手動或自動實例化實體.

圖1 CATIA參數化程度

為了實現更廣泛的設計空間，豐富的參數化是必不可少的.本文在進行翼面結構自動布局和實體模型的快速生成時需要結合以上描述的參數化，如圖2所示.規則處于整個結構的最上層，根據預定順序控制知識模式，進而驅動VBScript和UDF實現建模過程的參數化.

圖2 知識驅動過程

2 翼面結構快速建模

飛機翼面結構設計要求基于翼面結構的弦平面，進行梁、肋和長桁構件的布局，生成翼面結構布置模型.布置模型包括了構件站位面、軸線及腹板面的結構布置信息.

2.1 結構布局定義

結構布局采用文獻［3］的參數坐標系定義翼面構件，翼面坐標系如圖3所示.其中：s為展向位置參數（根部為0，梢部為1）；c為弦向位置參數（前緣為0，后緣為1）；t為厚度位置參數（上表面為＋1，弦平面為0，下表面為－1）.

圖3 參數布局定義

構件所有位置的引用必須與此參數坐標系，或指定的相對其他結構部件相關聯，構件的位置參數應滿足下列3種情形：①由參數坐標P（c，s，t）來描述；②由幾何參考相關聯（比如翼肋順航向）來定義；③由其他構件的相對位置（比如平行或垂直某構件）來定義.

2.2 構件創建過程描述

翼面結構的幾何特征由區域定義的邊界確定，內部的結構布置特征由梁、長桁等縱向構件與橫向構件肋的位置等參數確定［4］.

翼面結構構件組成及布置方式可以定義為如下形式：

基于翼面結構的弦平面（厚度位置參數t＝0）進行翼面構件的布置，定義構件的結構參數［5－6］.

1）梁：貫穿上下翼面，可描述為站位面和腹板面.

① 起始、分段點和終止位置由參數坐標P（c，s）描述，軸線由各點連接而成；

② 基于梁軸線和弦平面確定梁的站位面；

③通過站位面與上下翼面求交并填充相交區域生成梁的腹板面.

2）翼肋：也具有貫穿上下翼面的性質，可描述為站位面和腹板面.

① 位置通常由梁和肋構件來確定.機身連接處翼肋站位面為順航向布置，其余大多為垂直前梁或后梁軸線布置，或選擇平行已布置好的肋站位面；

②通過站位面與上下翼面求交并填充相交區域生成肋的腹板面；

③ 確定腹板面的起始和終止位置.

3）長桁：依附于上下翼面，可描述為站位面和上下翼面軸線.

① 起始、分段點和終止位置由參數坐標P（c，s）描述或由梁站位面或長桁站位面來確定，軸線由各點連接而成；

② 基于軸線和弦平面確定長桁的站位面；

③通過站位面與上下翼面求交生成長桁軸線；

④ 確定長桁的起始和終止位置.

4）蒙皮：蒙皮的區域分塊由梁、肋和長桁的位置確定，因此通常不需要定義.

完成構件參數的定義，進行翼面結構的參數化布局，設計流程如圖4所示.

圖4 結構布局流程

3 模板參數化設計

模板技術可認為是一種類似基于實例推理的知識重用技術，它是基于事物相似性和設計方法的復用技術原理.其基本思想是：從一類相似的事物中抽象出一種框架型的模板，任何一個類似的事物都可作為以模板為超類派生的類型的實例.其核心是設計信息的重用和參數化的變異［7］.

雖然翼面部件數量很多，但從內部構件結構組成來說，差別不大.例如機翼和平尾結構，都是由橫向構件肋、縱向構件梁和長桁以及蒙皮組成.雖然結構尺寸和構件數量有所不同，但構件的功能及所起作用相同，構件的布置方式和生成過程類似.因此，飛機翼面部件具有很強的模板化特征.目前翼面結構的布局通常由結構設計人員通過手動交互完成，獲得結果和更改結果的過程必須大量人工操作，對于相對復雜的機翼盒段結構往往需要很長的時間進行建模，這在很大程度上影響了結構設計過程的效率.實際上，可以將結構工程師在設計過程中的設計方法、定義規則和經驗等知識通過歸納封裝為模板，后臺程序驅動CATIA自動完成結構布置模型的生成，實現知識驅動的模塊化設計.通過翼面部件結構設計的參數化，在設計修改新的部件或同類部件時，只需利用同一模板，經過數據替換和參數修改即可以完成新的或同類部件的布局設計.

圖5為翼面部件布局過程參數化建模的模板.在模板界面中通過拾取給定的參考元素以及輸入構件的信息，可以快速地完成梁、肋和長桁等主要結構件的參數化建模.完成構件的創建即可實現布置模型的生成，輸出的模型如圖6所示.

圖5 翼面結構設計模板

圖6 機翼翼盒布置模型

4 實體模型快速生成

翼面結構布置模型生成后，設計人員通常需要進一步得到結構的幾何實體模型，以檢查構件之間的協調.手動交互生成模型通常費時費力，同時如果布置模型改變，實體模型必須隨之更新，因此需要采用快速設計方法來實現實體模型的自動生成.

4.1 用戶自定義特征

用戶自定義特征即UDF是滿足零件一項或幾項不可再分的功能單元、具有一定通用性的一系列形狀特征（包括系統提供的預定義形狀特征和已定義的用戶自定義特征）組合而成的平面圖形或幾何實體［8］.

基于特征的設計是CAD系統基本的設計范式之一［9］.CATIA的UDF可以將一個簡單的實體生成用戶化的特征，特征的參數可以自定義.用戶根據自身的實際需要，將一些常用的結構集成為自定義的各種特征并以用戶自定義特征實例存放到實例庫中，在需要的時候可以直接調用.UDF有效地擴充了已有特征造型模塊所提供的形狀特征的范圍及能力，加入設計模型后，和已有特征一樣具備參數化的形狀以及位置尺寸.飛機翼面結構構件幾何截面形狀為固定的若干種，如圖7所示.利用用戶自定義特征的概念進行設計將減少數據的存儲量，大大提高設計效率.

圖7 翼面構件幾何截面特征

4.2 UDF的封裝及調用

用戶自定義特征UDF實際上是對造型系統中已有的形狀特征和造型方式的封裝.通過封裝，屏蔽了很多繁瑣的幾何造型操作，而將與應用有關的參考幾何元素、約束和尺寸以接口的形式提供給設計人員.這些參數和幾何元素由設計人員在對UDF進行實例化時指定.通過調用UDF，達到了簡化造型操作，定制與擴展原有特征造型系統的目的.

在UDF的封裝和調用過程中，實現其準確定位是關鍵.本文通過草圖所在平面及截面的兩點P1和P2作為定位參數來實現截面的完全定位，如圖8所示.

圖8 UDF定位

4.3 幾何截面特征構建

根據飛機翼面結構構件幾何截面的特點，分別提取其中的一些形狀特征組合輸出成用戶自定義特征，從而實現相同類型不同尺寸特征的設計，各種類型截面的主要特征如下：

T型：緣條寬度，緣條厚度，角度；

L型：緣條寬度，緣條厚度，角度；

J型、Z型、工字型：緣條寬度，緣條厚度.

飛機翼面結構中，梁和肋構件的截面與翼面外形直接相關，必須對緣條與腹板之間的角度進行約束，以滿足與翼面外形貼合的要求.梁和肋通常為C型或工字型，因此，選擇緣條的幾何截面特征為T型和L型.

UDF包含的信息除了特征集合外，還包括關聯尺寸、特征定位和特征語義等各方面的信息，如圖9所示.

圖9 用戶自定義特征信息結構圖

圖9中，特征集合包括了輸出到用戶自定義特征的一系列形狀特征；尺寸鏈用于控制各形狀特征的幾何參數；約束鏈除了對特征幾何尺寸的限制外，還提供了涉及幾何截面UDF的定位的約束信息；特征語義是對用戶自定義特征中的某些特征進行語義描述.

4.4 實體模型創建

雖然通過用戶自定義特征功能可以簡化設計過程，實現翼面結構幾何截面的實例化，但每次調用UDF只能生成一個截面特征，而翼面結構的構件數量眾多，類型也各有不同，通過這種方式仍然不能滿足翼面結構實體模型的自動快速生成.本文利用UDF參數化的優勢，通過VBScript與UDF相結合的方式進行實體造型，實現建模過程更高層次的參數化.

飛機翼面結構布置模型包括兩種類型的單元：一維單元和二維單元.其中：

兩種單元屬性不同，因此實體模型生成過程也不相同.一維單元需要通過文檔實例化的方式讀取磁盤中的截面特征零件文檔，調用UDF來完成模型的創建，而二維單元實體模型的生成通過在程序中偏移指定單元曲面的厚度來實現.

4.4.1 一維單元生成邏輯

梁緣條、肋緣條和長桁的實體模型的生成過程即是UDF調用及實例化的過程，UDF的調用根據用戶輸入幾何截面類型，調用了實例庫中相應的設計實例的一份拷貝.其中，各種類型的幾何截面參數都是可參數化的，根據截面類型的不同，系統分別提供相應的參數實現其參數化驅動.截面類型除了幾何參數外，還有結構參數用于驅動不同截面類型的切換.

建模過程中，分別在構件兩端調用UDF，自動生成幾何截面特征.由構件站位面、站位面在翼面外形和弦平面上的交點作為2個定位點，3個元素共同實現截面特征的定位，并通過建模的多截面技術實現一維單元實體模型的快速生成.

4.4.2 二維單元生成邏輯

梁腹板、肋腹板以及蒙皮等二維單元實體的生成通過對曲面進行加厚來實現.

曲面的加厚有2個偏移方向及偏移量（蒙皮的實體生成只在1個方向上偏移）.

第1偏移：0.5×s×（1－t）.第2偏移：0.5×s×（1＋t）.

其中，s為梁腹板和肋腹板生成實體的厚度；t為梁腹板和肋腹板站位面在實體中的相對位置，取值在－1.0～1.0之間.

4.4.3 實體模型生成

基于以上建模邏輯，運行模板自動生成翼面結構的實體模型，如圖10所示.

圖10 機翼翼盒結構實體模型（隱去上翼面）

5 結 論

1）采用知識驅動的模板參數化技術，基于過程重用的思想，將設計人員手動交互過程中歸納的設計方法和規則封裝為具有標準形式的知識組件，實現了飛機翼面部件結構布置模型的自動生成，并可以根據優化結果，改變設計輸入參數，實現模型的快速修改.利用模板這種“再設計”技術，可以極大縮短設計周期，提高設計效率和建模的標準化程度.

2）創建了翼面結構構件梁、肋和長桁的幾何截面特征庫，通過VBScript語言和用戶自定義特征UDF技術，完成幾何特征體的參數化建模，在布置模型基礎上自動實例化，快速生成翼面結構的實體模型，提高了建模效率.

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