13基于CATIA二次开发的直升机机身外形参数化建模-苏涛勇(7)

521第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于CATIA二次开发的直升机机身外形参数化建模苏涛勇陆洋（南京航空航天大学旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘要：为了研究直升机机身对旋翼的气动干扰，对直升机的机身外形进行优化设计，应用一种基于类别函数/形状函数变换的参数化建模方法，研究出一种直升机CAD模型的外形参数化方法。该方法可以用较少的参数完成了直升机的机身外形建模。应用VB环境下CATIA二次开发技术，开发了一个直升机机身三维外形快速生成的软件。实例表明，该软件能够快速地自动生成直升机的机身三维外形，实现了直升机的机身外形参数化建模。关键词：直升机外形设计;计算机辅助设计;参数化模型;CATIA;二次开发0引言直升机工作在十分复杂非定常流场中，在该流场中，旋翼产生的尾迹的影响占主导地位。旋翼的尾迹与机身之间会产生严重的气动干扰，这种干扰会直接影响到直升机的性能、飞行品质和振动特性等，因此在直升机设计过程中需要对直升机的机身外形进行优化[1]。如何用一组参数来描述直升机机身外形并快速生成直升机的机身三维外形模型是进行机身外形优化的前提条件。参数化建模为快速生成直升机的机身外形模型提供了一个有效的途径。所谓几何外形参数化建模，就是用一组参数来约束设计对象的结构形状。对于直升机这类复杂系统的多学科优化设计中，几何参数化建模具有举足轻重的地位，它有利于维护设计对象的几何结构上的完整性、相容性和一致性，并为其它学科如气动分析、结构分析提供支持[2]。飞行器外形复杂，目前主要采用NURBS的方法进行参数化建模[3-5]，虽然NURBS的方法能较精确的飞行器的外形，但是由于所需的控制参数太多，不便于在优化设计中获得很好的应用。2006年，波音公司的Kulfan等人针对这些问题提出了一种基于形状函数/类别函数变化的参数化方法（shapefunction/classfunctiontransformation，CST）[6-8]，这种方法的优点是参数具有明确的几何含义，所需控制参数较少，适用性强，建模精度较好。在国内，南京航空航天大学余雄庆等人将CST方法运用于固定翼飞机外形参数化建模[9-10]，取得较好效果。对于直升机，其机身外形相对于固定翼飞机更加复杂，本文尝试将CST参数化建模方法运用于直升机机身外形参数化建模。本文以机身气动布局优化设计为背景，针对直升机机身外形参数化CAD模型问题，运用CST的参数化方法，建立了直升机机身外形参数化数学模型，通过CATIA二次开发技术，开发了一个根据所输入的直升机机身外形参数能自动生成直升机外形CAD模型的软件，最后，以典型直升机机身外形设计作为应用算例，验证该方法的可行性与适应性。1CST参数化方法在CATIA中建立直升机机身的三维CAD模型通常是根据直升机机身的特征横截面及纵向的轮廓线通过多截面曲面功能得到的。直升机机身外形参数化模型关键问题是如何用一组较少的参数来描述直升机的特征横截面及纵向轮廓线。波音公司的Kulfan等人首先提出了一种翼型参数化建模的方法，即CST。随后又将这种方法推广到一般曲线、曲面的参数化建模。以下给出CST参数化建模522方法。1.1CST翼型建模如图1所示为典型翼型在直角坐标系下的定义，c为翼型弦长，翼型厚度为2TEZ，上翼面后缘端点纵坐标为TEZ，下翼面后缘端点纵坐标为TEZ。图1典型翼型在直角坐标系下的定义CST方法对于翼型上翼面（或下翼面）的描述为形状函数和类别函数相乘，再加上翼面后缘厚度，其数学表达式如下：01NiiTiA(1)式中：/xc，/zc，/TTEZc类别函数C的表达式为211NNC(2)形状函数S的表达式为0NiiiSA(3)在类别函数中，N1和N2为控制类别函数形状的参数，对于不同的N1和N2的值，所表示的类别函数的形状是不同的，如图2所示：N1=0.5,N2=1N1=0.5,N2=0.5N1=0.25,N2=0.25N1=0.25,N2=0.75图2当形状函数为1时，N1，N2取不同值所描述的几何形状对于形状函数，更常用的是伯恩斯坦多项式的定义，其数学表达式如下：,01nnrrrnrBPnKxx(4)其中0,1x,!!!rnnnKrrnr523所以，形状函数可定义为：,01nnrrirniSAKxx(5)按照CST翼型参数化建模方法，类别函数中的N1与N2主要控制的是翼型前缘和后缘的形状，形状函数S主要是控制前缘到后缘的过渡部分翼型所通过的坐标点。参数的个数取决于伯恩斯坦多项式的阶数，一般情况下，阶数越高，所需的参数就越多，从而拟合翼型的精度就越高。1.2机身横截面建模选择合适类别函数的参数，CST方法可以用于直升机机身横截面形状的描述。将一个封闭的横截面分为上下两部分，其上部分形状如图3所示。图3机身横截面形状的描述由CST方法可知：CS(6)2S(7)0.50.51C(8)所以上部分椭圆图形的数学表达式为0.50.521(9)其中/y/zh对于类似的机身横截面，改变类别函数的N1及N2，可以得到不同的形状，类似于图2所示。形状函数如果取常数可以控制对称形状的宽高比。因此，应用CST方法，通过改变相应的类别函数的参数及形状函数，可以描述各种机身的横截面形状。1.3机身纵向轮廓线建模在直升机外形设计中，机身及发动机舱整流罩等的纵向轮廓线属于一般曲线，如图4所示。图4一般曲线形状描述直升机外形的纵向轮廓线较为复杂，如果对整条轮廓线仅用一个函数式表示，由于所需控制点过多，伯恩斯坦多项式的阶数过高，可能会导致由伯恩斯坦多项式定义的CST参数化方法所拟合的524曲线出现严重的病态。对于直升机外形的纵向轮廓线，可以把其分成几段，对每一段采用和翼型相同的方法进行建模，通过改变N1、N2，可以控制曲线起点和终点的形状，然后根据几个特征位置的纵坐标值及开口高度，可以完成此类曲线的建模。综上我们可以得出：CST方法具有很强的曲线建模能力，通过较少的参数就可以满足直升机外形参数化建模的要求。2直升机机身外形参数化建模直升机机身外形主要由机身主体、发动机整流罩、垂直尾翼及水平尾翼等部件组成。在研究旋翼对机身的气动干扰时，直升机旋翼所产生的流场作为外部输入给出，故暂不对旋翼系统进行参数化建模。对直升机机身外形进行参数化设计，首先对各个部件分别进行参数化建模，然后根据各部件的位置参数完成整个直升机机身外形的建模。下面以某典型直升机为例具体说明直升机机身外形的参数化建模过程。2.1某典型直升机机身主体及发动机整流罩外形参数化建模直升机机身主体可以分为前机身，中段机身及尾梁三部分。只要确定机身的纵向轮廓线及横截面形状就可以通过放样的方法得到机身外形。纵向轮廓线：对于前机身，将纵向轮廓线分为上下两部分，如图5所示。下部分用一段曲线表示即可。上部分的纵向轮廓线可以分为两段曲线来描述，对每一段曲线采用CST方法生成。对于每一段曲线的高度，可用翼型曲线的开口高度表示，通过控制指数N1及N2可以控制曲线首尾两端的切线方向，通过几个特征点确定形状函数，特征点的个数决定了伯恩斯坦多项式的阶数，从而得到曲线的数学描述，完成前机身纵向轮廓线的数学建模。中段机身主要是等截面形状。尾梁的纵向轮廓线建模类似于前机身。横截面形状：某该典型直升机前段机身的横截面形状如图6所示，由于上半部分及下半部分不一定对称，故对上下两部分分别用CST方法得到曲线，然后对两部分曲线进行拼接处理即可。对于中段及尾梁的横截面形状，也只需改变N1及N2的值既可以得到，形状函数用以控制横截面形状的长宽比。对于直升机发动机舱及整流罩，其建模方法类似于前段机身。图5某典型直升机前机身纵向轮廓线图6某典型直升机前段机身的横截面形状2.2垂尾及平尾外形参数化建模垂尾及平尾的外形主要通过剖面翼型及平面形状来确定，通过放样即可得到垂尾及平尾外形模型。翼型：由前所述的基于CST的翼型参数化建模方法建立翼型模型。对于一般的翼型几何外形表525示及优化，4到6阶多项式就可以达到满意的精度要求，对于精度要求较高的应用，可以使用6到9阶多项式定义翼型形状函数[11]。平面形状：由于直升机平尾及垂尾的平面形状较为简单，确定首尾两翼型的弦长及扭转角即可。2.3直升机机身外形模型对于各个部件建立好外形模型后，定义各个部件的位置参数，在CATIA中定义X轴沿直升机展向，Y轴为从机头指向机尾方向，Z轴为直升机高度方向。按照所定义的位置参数，定义各部件的位置，即可得到直升机机身外形模型。3软件开发上节通过CST参数化建模方法，已经建立了直升机机身外形的数学模型，本节通过运用VB对CATIA进行二次开发，自动生成直升机机身外形的三维模型。CATIA提供的二次开发的借口包括自动化编程（V5Automation）和开放的基于构件的应用编程接口（CAA）。CATIA提供的二次借口通过两种方式与外部程序进行通信：一种是进程内的应用程序方式，另一种是进程外的应用程序方式。本文使用Automation技术，利用VB编写生成直升机机身外形的CATIA驱动器，完成直升机机身三维外形的自动生成。VB提供了方便的界面设计，设计了相关界面以实现相关参数的输入。运行VB程序，CATIA会根据所输入参数自动完成直升机机身外形三维模型的建立。以下给出VB环境下启动CATIA的程序及直升机前机身放样程序。DimCATIAAsObject'定义CATIA的变量类型为对象类型OnErrorResumeNextSetCATIA=GetObject(,CATIA.Application)'如果CATIA程序已经启动，将CATIA程序赋给变量CATIAIfErr.Number0ThenSetCATIA=CreateObject(CATIA.application)'如果CATIA程序未启动，则启动CATIA程序并赋给变量CATIACATIA.Visible=TrueEndIfOnErrorGoTo0图7为利用本软件生成的直升机机身外形三维模型。如需修改三维外形模型，只需在用户界面修改所输入的相关参数即可。能大大缩短三维外形建模的时间，同时为研究机身气动布局优化提供了参数化模型。图7利用CST方法生成的某典型直升机机身外形三维模型5264结束语本文运用CST参数化建模方法及CATIA二次开发技术，开发了直升机机身外形参数化CAD模型快速生成软件。并通过样例验证了基于CATIA二次开发的直升机机身外形参数化建模的可行性。只需输入相关参数，就可以实现直升机机身外形的自动生成，为直升机机身外形的优化设计提供基础。参考文献[1]徐国华，李春华.直升机机身对旋翼气动干扰的计算[J]，南京航空航天大学学报，2003，35（3）243-247.[2]王振国，陈小前，罗文彩等.飞行器多学科设计优化理论与应用研究[M]，北京：国防工业出版社，2006.[3]卢新来，刘虎，武哲.直升机概念设计中的部件参数化[J]，北京航空航天大学学报，2006，32（1）46-49.[4]金海波，丁运亮.飞机概念设计中的外形参数化模型的研究[J].南京航空航天大学学报，2003,35(5):540-544[5]RodriguezlDL,P.Arapidgeometryengineforpreliminaryaircraftdesign[R].AIAA,2006.[6]BrendaM.Kulfan,JohnE.Bussoletti.FundamentalParametricGeometryRepresentationsforAircraftComponentShapes[R].AIAA-2006-6948,2006[7]BrendaM.Kulfan.AUniversalParametricGeometryRepresentationMethod–CST[R