無人機結構參數化關聯設計及快速調整

李 如， 胡畢富， 席 平， 金詩涵

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

無人機結構參數化關聯設計及快速調整

李 如， 胡畢富， 席 平， 金詩涵

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

針對全復材無人機結構設計特點，詳細闡述了整機設計流程。研究了 CATIA參數化關聯方法和以“布局草圖”為核心的自頂向下的設計，提出了無人機結構的參數化裝配體關聯設計方法，實現了關聯引起的模型變更，從而實現了模型快速修改和調整。以某無人機結構為例，驗證了關聯設計建模方法的有效性。

無人機；參數化；關聯設計；布局草圖

無人機的發展進入了一個嶄新的時代，功能各異、技術先進的新型機種不斷涌現。小型無人駕駛飛機由于其特有的低風險(無人)、低成本(較大飛機而言)特性及總體尺寸較小的特點，為一些新材料、新思想提供了設計平臺。因此，在大飛機結構使用復合材料不多的時候，小型無人機卻在結構中大量使用復合材料，復合材料甚至成為了小型無人機的主體材料[1]。

結構設計是無人機設計中的重要環節之一，涉及工藝、強度、氣動、航電等多個學科，需要協調各方關系，滿足諸多條件。因此，結構設計是一個多次迭代，反復協調和修改的過程。由于部件與部件之間、零件與零件之間存在大量的幾何尺寸關聯，當一個零件尺寸或位置發生變化時，往往會引起與之關聯的零件發生變更。目前，全復合材料無人機結構設計工作還缺乏統一的建模規范，傳統的零件參數化建模方法，雖可以實現零件的快速建模和修改，但是零件與上游模型以及零件與裝配體之間缺乏關聯。所以在對復雜裝配體修改時，無法實現由于關聯引起的模型變更，而往往需要重新構建模型。采用參數化關聯方法是解決無人機結構設計過程中快速建模和修改的有效方法。

關聯設計是一種特殊形式的參數化設計方法，其驅動參數為上游設計的幾何特征(如點、線、面、坐標系等)，其表現為上游設計對下游設計的影響關系[2]。國內有關關聯設計技術研究，更多集中于模具、內燃機等機械產品的設計和開發。文獻[3]使用UG中WAVE技術，在凸凹模與沖壓件間建立關聯關系。在飛機研究領域，空客和波音在飛機結構初步設計和詳細設計階段都采用了關聯設計技術，其主要用于引用飛機結構骨架模型的發布元素來創建下游模型以及左右對稱結構，而在飛機的詳細設計后期，則較少考慮使用關聯設計[4]。

本文工作定位于無人機結構設計的整個周期，旨在通過將 CATIA的參數化工具和關聯設計技術相結合，快速構建無人機結構三維實體模型，實現無人機三維實體模型快速創建，確保模型在設計發生變更時能夠根據相應變更進行準確快速的更新。

1 無人機結構分析

飛機機體部件主要包括機身、翼面和發動機吊艙等。考慮到復合材料的成型工藝、無人機的安裝和運輸等方面的問題，小型無人駕駛飛機通常采用分段生產再組裝的形式。因此，建模過程也是分部件進行的。無人機氣動布局類型比較多，本文將以翼身融合氣動布局為例，進行詳細說明。

1.1 坐標系

圖1為本文對于無人機外形描述采用的坐標體系，飛機最前點為坐標原點，水平面上，從機頭貫穿機身到機尾為X軸正方向；從左翼指向右翼為Y軸正方向；垂直于水平面，用右手法則定義出Z軸方向。全局坐標系確定了整個飛機的布局，飛機整體沿X軸對稱分布，前、中、后機身的分割面可由X坐標描述，機翼的分割位置可以由Y坐標描述，地板的位置可以由Z坐標描述。

圖1 整體坐標系

1.2 無人機結構定義

小型無人機部件外形復雜、數量眾多，但通過分析發現，其可分為兩類：機身結構和翼面結構。對于常規布局的機身結構，以梁式結構為代表。主要組成部件包括縱向桁條、蒙皮、橫向框和地板。其中，桁條和隔框與蒙皮貼合。翼面結構主要包括：機翼前后緣、機翼盒段、平尾盒段、升降舵、方向舵、副翼、襟翼等部件。機翼為飛機的主要氣動面，其結構形式是翼面結構的典型代表。機翼結構有多種形式，主要有夾層板梁式結構和夾層壁板墻式結構，由上下夾層蒙皮、前后梁和若干翼肋組成。

2 建模方法

2.1 CATIA參數化關聯設計

CATIA具有強大的參數化設計功能，同時提供了多種參數化設計方法，如基于特征的參數化設計和基于草圖的參數化設計方法。基于特征的參數化方法主要應用于具體的幾何特征中，如孔、圓角、柱等幾何體的參數化設計中。基于草圖的參數化設計方法是在草圖內部以約束的形式達到對零件尺寸進行參數化設計的目的。

對于零件內部的參數化關聯設計，主要采用系統參數和尺寸約束關聯的驅動方法。應用草圖設計模塊，完成零件的草圖繪制過程，對其中設計尺寸進行約束設置，同時注意尺寸約束與幾何圖形的控制關系。例如，在中機身某加強框的建模過程時，系統參數包括：框邊緣寬度、蒙皮厚度、框的厚度等。

對于部件(零件與零件間)的關聯設計，主要采用CATIA軟件特有的“選擇性粘貼”功能來實現，如圖2所示。CATIA可以將一個零件中的點、線、面、體等幾何信息復制，在另一個零件中進行選擇性粘貼，實現新建零件與原零件的幾何形狀關聯，如果上游形狀信息變化，相關聯模型發生相應更新。

圖2 選擇性粘貼

2.2 “布局草圖”為核心的自頂向下設計

自頂向下設計就是從產品的頂層開始，通過在裝配中建立零件來完成整個產品設計的方法[5]。自頂向下的設計方法是從產品的功能出發，最后再考慮實現這些功能的幾何結構，其符合產品設計過程和設計人員的思維過程，而且在產品設計的初期就將產品的主要部件、關鍵約束等重要信息確定下來，同時分配給各子系統，避免了相互之間發生沖突，大大提高了設計效率。

為了從總體上把握飛機各部件間的尺寸關系，可構建一個盡可能描述設計要求的布局草圖，用其來充當產品的頂層骨架。隨后生成的飛機骨架模型要在布局草圖的基礎上完成，每個零件都會和布局草圖產生關聯。布局草圖可以反映所有零件的空間位置和基本尺寸，當產品設計完成后，可以通過修改布局草圖中的相關參數來實現零件的修改，從而達到快速調整的目的。

構建無人機結構時，上游會提供完整的氣動外形，需要在外形的基礎上完成整個飛機的結構設計。在這個過程中，外形往往不會發生變化，因此，存貯氣動外形的零件是整個設計的最頂層，整機結構的自頂向下設計將從氣動外形開始。

3 整機建模

無人機結構建模主要包括兩層關聯關系：①零件內部的關聯關系，包括幾何體和氣動外形的關聯、幾何體和幾何體之間的關聯。通過CATIA的參數化功能、草圖中的約束和“選擇性粘貼”功能來實現。②零件之間的關聯，通過零件之間的“選擇性粘貼”實現。建模過程中存在明顯的上下游關系，每一步都在上游的基礎上進行，并成為下游模型的基礎。最后將詳細設計后的零件組裝成飛機結構整體，實現對裝配體的快速修改。

整機設計流程如圖3所示。

圖3 整機設計流程(“1號長桁詳細初步模型”改為“1號長桁詳細模型”)

3.1 分割總體氣動外形

在氣動外形的水平布局草圖中，用一條直線來描述分割面。繪制前、中、后機身和外翼的分割線，分割線通過尺寸進行約束，主要參數包括：①前機身長度；②中機身長度；③中機身寬度等。參考草圖中的直線，生成基準面，將整體外形進行分割。如果修改前機身和中機身的分割位置，只需在草圖中調節一條直線的約束即可。過程如圖4所示。

圖4 總體氣動外形分割過程

3.2 確定各部件基準面并構建骨架模型

骨架模型表征了結構的功能要求及最初的設計意圖，其定義了整個部件的總體步驟、零部件的基本空間定位及各零件之間的配合關系。骨架模型不包含零部件的詳細設計過程，其是關聯設計的基礎，是關聯關系傳播的媒介和載體[6]，因此，就要在各部件氣動外形的基礎上構建各自部件的骨架模型。本文中骨架模型是指所有飛機零件的初步實體模型。

構建骨架模型包括以下3步：

(1) 確定基準面。以中機身為例，在中機身的水平面和垂直面內分別做草圖，如圖5所示。根據草圖中的直線生成站位面，這樣只需修改草圖中直線的位置就可改變站位面的位置，方便后期修改。主要參數包括：隔框的X方向坐標、翼肋的Y方向坐標、桁條與X軸的角度等。

圖5 中機身布局草圖

(2) 確定主要構件的描述參數。對零件的參數化描述可以實現模型的快速創建和修改。分析模型結構，確定合理的描述參數是建立參數模型的重點，合理的參數可以使得模型修改更加快捷。

無人機主要構件的參數描述：

①蒙皮。蒙皮的作用是維持飛機外形，使之具有很好的氣動特性。中小型無人機，蒙皮材料主要有蜂窩夾層結構或蜂窩芯材支持的薄層板結構。根據蒙皮的特點可將參數確定為：蒙皮編號、蒙皮厚度、蒙皮材料。

②隔框。隔框是飛機縱向位置排放的橫向構件，包括普通框和加強框，無人機中多采用層板或復合材料夾層板。構建框需要考慮的參數包括：材料類型、厚度、隔框編號、邊緣寬度等。

③桁條。桁條的主要作用將蒙皮上的氣動載荷傳遞給主承力結構。無人機中桁條多采用航空層板材料。構建桁條的主要參數包括：材料類型、材料厚度、桁條編號、桁條寬度等。

④地板。地板主要用來放置設備。主要參數包括：地板編號、材料、地板厚度等。

⑤翼肋。翼肋分為普通翼肋和加強翼肋兩種。普通翼肋主要起保持蒙皮形狀以及將載荷傳遞給翼梁的作用，主要由航空層板構成，模型厚度小。加強翼肋可承受集中載荷，多由碳板構成，模型厚度較大。主要參數為：材料類型、材料厚度、翼肋編號、蒙皮厚度等。

(3) 建立骨架模型。確定各站位面后，插入幾何體并對其命名，每個幾何體在相應基準面的基礎上生成三維實體模型，每個幾何體就是飛機三維實體零件的上游模型。以中機身某隔框的建模過程為例。如圖6所示，包括：①在基準面上構建草圖，根據機身外形和蒙皮厚度獲取外部輪廓曲線，并有

描述參數進行約束；②將草圖根據層板厚度參數進行拉伸，形成環形框實體模型；③對模型賦予材料屬性，將材料屬性與整機材料文件關聯，方便對全局材料的修改。完成對中機身所有零件上游幾何體的創建，圖7為機身骨架模型。

圖6 中機身某隔框建模過程

圖7 中機身骨架模型

3.3 創建幾何體之間的關聯

小型無人機內部結構件多采用非金屬材料，如航空層板或復合材料夾層結構，各零件之間的連接多以榫槽插接為主。為了后期快速修改，需要將榫槽和榫頭進行關聯，榫槽的輪廓由榫頭投影得到，并增加相應的裝配縫隙。當榫頭位置和大小發生變化時，榫槽發生相應變更。圖8為中機身部分幾何體連接方式的關聯。

圖8 幾何體連接方式

3.4 詳細設計并完成組裝

將初步模型中的幾何體通過“與原文檔相關聯粘貼”

，形成每個獨立零件，在零件中完成詳細設計，如走線孔，減重孔等的設計，圖9為某框的骨架模型和詳細模型。

將所有零件詳細設計之后，組合成裝配體，由于每個零件都和骨架模型關聯，而骨架模型和最初的總體氣動外形關聯，因此，所有零件使用同一個坐標系。裝配時不需要進行約束，零件在坐標系中的位置就是裝配體中的位置。中機身裝配完成后如圖10所示。

圖9 隔框骨架模型和詳細模型

圖10 中機身裝配模型

4 應用驗證

根據前面提出的建模方法，在CATIA環境中，完成對某型號無人機整體結構的建模，如圖11所示。

圖11 整機詳細結構模型

以前機身結構修改為例，如圖 12所示，當隔框位置發生時，只需修改骨架模型草圖中相應直線的位置即可。

圖12 結構快速調整

5 結 論

(1) 針對無人機結構設計變更導致的三維模型大量重建的問題，研究了 CATIA參數化關聯技術和以“布局草圖”為核心的自頂向下的設計，提出C ATIA參數化技術和關聯設計相結合的解決方法，基于對構件的參數化描述與參數化建模，縮短了產品設計周期。

(2) 通過分析無人機的基本結構和吸取實際的生產、制造經驗，確定無人機結構中基本的關聯關系和主要的設計參數。描述了無人機整體結構建模的具體關聯過程。

(3) 通過創建翼身融合無人機的整體結構，實現了無人機結構的快速建模和調整，驗證了所提方法的可行性。針對設計變更，進行準確快速的更新，避免了設計變更導致的大量模型重建。

[1] 王 衡. 先進復合材料在軍用固定翼飛機上的發展歷程及前景展望[J]. 纖維復合材料, 2014, 41(4): 41-45.

[2] 王乾平. 先進技術手段在大飛機設計中的應用及展望[J]. 航空制造技術, 2015, (4): 68-71.

[3] 張樂林, 祝錫晶, 成 全. UG環境下功率超聲珩磨裝置的參數化設計方法研究[J]. 制造技術與機床, 2016, (3): 45-49.

[4] 陳東明, 席 平, 唐家鵬. 關聯設計技術在機翼盒段快速建模中的應用[J]. 圖學學報, 2015, 36(5): 730-733.

[5] 謝少波. 基于參數化技術的產品自頂向下設計[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2007.

[6] 何朝明, 陳黎麗, 王 強. 面向零件模板和骨架的快速設計[J]. 四川教育學院學報, 2010, 26(11): 112-113, 116.

Parameterization Correlation Design and Rapid Adjustment of Unmanned Aerial Vehicle Structure

Li Ru, Hu Bifu, Xi Ping, Jin Shihan

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

Based on the characteristics of the composites unmanned aerial vehicle(UAV) structure, the whole design process is described in detail. According to the studying of CATIA parameterization correlation method and the top-down design with the core of “layout sketch”, parameterization assembly correlation design method of UAV structure is proposed. Model rapid adjustment will be realized on it. Finally the effectiveness of the modeling method is verified by an example of an UAV structure.

unmanned aerial vehicle; parametricdesign; associated design; layoutsketch

TP 391.72

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050655

A

2095-302X(2016)05-0655-06

2016-04-20；定稿日期：2016-05-18

李 如(1990–)，男，山東菏澤人，碩士研究生。主要研究方向為數字化設計、智能CAD技術。E-mail：lisk062308@163.com

胡畢富(1979–)，男，貴州晴隆人，講師，工學博士。主要研究方向為CAD/CAM、計算機圖形學。E-mail：7631234@qq.com