面向概念設(shè)計(jì)的飛機(jī)外形快速建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)

査棟燁，林國鵬，鄧向陽，徐超，劉浩

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

面向概念設(shè)計(jì)的飛機(jī)外形快速建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)

査棟燁，林國鵬，鄧向陽，徐超，劉浩

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)的快速建模，從飛機(jī)外形設(shè)計(jì)入手，將飛機(jī)外形分為若干模塊，對各模塊如機(jī)翼、起落架、尾翼等進(jìn)行詳細(xì)分類介紹，并利用Maya建立相應(yīng)模型數(shù)據(jù)庫，便于設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)理念選擇相應(yīng)模型快速接合，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形的快速設(shè)計(jì)。

概念設(shè)計(jì);飛機(jī)外形設(shè)計(jì);模塊化;Maya

在飛機(jī)研發(fā)的構(gòu)想和立項(xiàng)階段，項(xiàng)目構(gòu)想者的一個重要工作就是設(shè)計(jì)出飛機(jī)的整體外形，而飛機(jī)外形在設(shè)計(jì)時經(jīng)常需要修改，雖然目前的一些工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，如Alias可以制作出逼真的飛機(jī)外形，但這些軟件都是通用型軟件，并不是針對飛機(jī)外形設(shè)計(jì)專門制作的軟件。在現(xiàn)有軟件基礎(chǔ)上直接制作飛機(jī)外形的過程，是一個全手工的從無到有的制作過程，工作量比較大。因此，如何快速地設(shè)計(jì)出飛機(jī)外形并縮短設(shè)計(jì)周期是一個亟待解決的問題。

1 飛機(jī)外形構(gòu)造及參數(shù)描述

飛機(jī)外形主要包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、起落架以及一些附屬部件。以下選擇幾個典型部件進(jìn)行闡述。

1.1 機(jī)翼

機(jī)翼按照形狀不同主要可劃分為3種常見基本機(jī)翼:平直翼、后掠翼和三角翼，如圖1所示。機(jī)翼外形數(shù)據(jù)一般需要在理論分析的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)洞試驗(yàn)論證取得。在選定翼型配置后，可以根據(jù)總體輪廓參數(shù)［1］如機(jī)翼面積S、翼展、翼弦、展弦比A、梢根比λ1、后掠角、上反角等來確定機(jī)翼外形。

1.2 機(jī)身

圖1 3種基本翼型形狀

飛機(jī)機(jī)身的外形和發(fā)動機(jī)的類型、數(shù)目及安裝位置有關(guān)［2］。機(jī)身的側(cè)面形狀為拉長的流線體，現(xiàn)代飛機(jī)側(cè)面形狀受駕駛艙的影響很大，有的駕駛艙平滑的露于氣流之中，有的則埋藏在機(jī)身之內(nèi);剖面形狀有圓、橢圓、方、梯形等，可根據(jù)不同用途及速度范圍來選擇機(jī)身剖面。機(jī)身設(shè)計(jì)主要參數(shù)有:最大橫截面積S、長細(xì)比l/d、機(jī)身長度l、機(jī)身頭部和尾部的長細(xì)比等。本文為簡化起見，只選機(jī)身長度、長細(xì)比、最大橫截面積這幾個參數(shù)。

1.3 尾翼

一般尾翼包括水平尾翼(平尾)和垂直尾翼(垂尾)，平尾由水平安定面和升降舵組成，垂尾由垂直安定面和方向舵組成［3］，如圖2所示。根據(jù)飛機(jī)的功用、空氣動力性能等情況不同，尾翼有不同的構(gòu)造形式，大致分為單立尾、雙立尾、三立尾、平尾在立尾上部的后掠尾翼、后掠式平尾與立尾、V型尾翼、鴨式尾翼等數(shù)十種不同構(gòu)型。尾翼外形設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括展弦比、后掠角、翼型相對高度及梯形比等。一般在初始設(shè)計(jì)階段可參考同類飛機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 飛機(jī)各部件模塊化概念設(shè)計(jì)

飛機(jī)外形概念設(shè)計(jì)建模的快速成形，首先需要廣泛搜集現(xiàn)有飛機(jī)外形設(shè)計(jì)所用的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并對各部件分別進(jìn)行分類整理，再對各個部件進(jìn)行建模，模型既可以通過對實(shí)體模型進(jìn)行三維掃描所得立體模型進(jìn)行編輯得到，也可以直接在Maya軟件中按照已有飛機(jī)外形設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸建立。最后將機(jī)身、機(jī)翼、尾翼這3個主要部分共同組成的模型數(shù)據(jù)庫作為模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖2 尾翼組成與構(gòu)造

下面闡述模塊化快速設(shè)計(jì)的過程，由于機(jī)翼、機(jī)身及尾翼3個部分處理方法類似，這里僅以機(jī)翼為例介紹模塊設(shè)計(jì)方法。

本文選擇Maya軟件原因如下:(1)Maya有強(qiáng)大的三維建模功能，便于模型的修改和編輯;(2)利用Maya能方便地制作出飛機(jī)演示動畫;(3)Maya是一個基于結(jié)點(diǎn)的插件式軟件架構(gòu)，提供了方便用戶制作API插件的方法。利用Maya提供的MEL語言［4］制作如圖3所示的名為“Wing”的機(jī)翼模塊插件，部分MEL代碼如下:

此段程序定義了插件窗口，以及對模型庫的檢索匹配和導(dǎo)入的程序。

圖3 Wing界面

設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過該界面輸入機(jī)翼的機(jī)翼面積S、展長比Rb、展弦比A、梢根比λ1、后掠角、安裝角、上反角等輪廓參數(shù)，輸入如圖3所示參數(shù)，按下確定之后便可以選擇導(dǎo)入與所輸入?yún)?shù)相近的模型，如圖4所示，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)展長、梢根比等參數(shù)對其進(jìn)行再次編輯、調(diào)整。

圖4 導(dǎo)入模型

對于其他的飛機(jī)部件，也可以利用MEL編寫類似的程序，使飛機(jī)外形概念設(shè)計(jì)模塊化。設(shè)計(jì)人員通過參數(shù)來選擇相似的已有的飛機(jī)外形模型，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)需要進(jìn)行修改，在各個部分都達(dá)到效果之后，通過組合安裝，使之成為一個整體。

3 實(shí)例

以某飛機(jī)外形設(shè)計(jì)為例，表1和表2分別列出了外形設(shè)計(jì)所需的機(jī)翼和尾翼外形參數(shù)。機(jī)身長30m，長細(xì)比為10。

表1 機(jī)翼外形參數(shù)

表2 尾翼外形參數(shù)

利用參數(shù)選擇最接近的模型圖，按具體數(shù)值進(jìn)行修改，最終組合安裝生成如圖5所示的飛機(jī)的外形三維圖。

4 結(jié)束語

本文利用Maya軟件建立飛機(jī)外形的實(shí)體模

圖5 最終生成的飛機(jī)外形

型，形成了一系列模塊化的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)飛機(jī)外形設(shè)計(jì)的具體要求，對模型庫現(xiàn)有的三維模型部件進(jìn)行編輯、組合，最終得到符合設(shè)計(jì)理念的飛機(jī)外形效果，并且可以利用Maya強(qiáng)大的動畫功能，利用動畫演示更形象地展示飛機(jī)。由文中實(shí)例可以得知此方法具有相當(dāng)?shù)目尚行?，這種快速建模的方法省去了常規(guī)繁瑣的繪圖過程，能夠大大節(jié)約設(shè)計(jì)時間，將飛機(jī)概念設(shè)計(jì)中外形的設(shè)計(jì)速度提升一個檔次。

［1］宋靜波.飛機(jī)構(gòu)造基礎(chǔ)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2011: 14－15.

［2］謝岳峰，余雄慶.基于CATIA二次開發(fā)的飛機(jī)外形參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(14):3792－3794.

［3］史超禮.航空概論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1978:191－192.

［4］Mark R Wilkins，Chris Kazmier，Stephan Osterburg，et al.Maya動畫師MEL腳本編程全攻略［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:167－172.

The Research And Realization on Methods of Rapid Modeling Aircraft Shape

ZHA Dongye，LIN Guopeng，DENG Xiangyang，XU Chao，LIU Hao

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

With the rapid development of aviation industry，the airplane is upgrading faster，which leads to a higher requirement to aircraft design.Aiming at the aircraft lofting design，it divides the aircraft lofting into some models，introduce the details about each model such as wings，undercarriage and tail fin and so on，it establishes the model database by Maya.This database can help the designers select the related model and realize the rapid aircraft lofting design.

Conceptual Design;Aircraft Configuration Design;Modularization;Maya

TP391.7

A

2095－509X(2013)10－0015－03

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.10.004

2013－06－18

南京航空航天大學(xué)2012～2013學(xué)年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(20120126206603)

査棟燁(1992—)，男，江蘇常州人，南京航空航天大學(xué)本科生，專業(yè)為機(jī)械工程及自動化。