一種提高材料利用率的尾翼裁片方法

張 華 羅 奔

一種提高材料利用率的尾翼裁片方法

張 華 羅 奔

本文針對系留氣球尾翼裁片問題，敘述了傳統(tǒng)的分片及展開方法，同時提出了一種新的分片設(shè)計方法，并利用CATIA軟件進(jìn)行展開。用實(shí)例對兩種裁片方法進(jìn)行對比，證明新方法極大地提高了材料利用率。

在保證系留氣球性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)制造的經(jīng)濟(jì)性逐漸成為各研制廠家關(guān)注的重點(diǎn)。進(jìn)行合理、良好的裁片設(shè)計，提高系留氣球生產(chǎn)制造時的材料利用率是提高其經(jīng)濟(jì)性最重要的因素之一。系留氣球裁片主要包括氣囊裁片、副氣囊裁片、整流罩裁片及尾翼裁片等。按照傳統(tǒng)的裁片方法，系留氣球生產(chǎn)制造時的材料利用率僅為60%～75%。最新的研究表明，對氣囊、副氣囊、整流罩進(jìn)行合理的裁片設(shè)計，良好的裁片排列及允許橫截面某處進(jìn)行截斷后，材料利用率可達(dá)90%以上。由于尾翼的曲面造型比較復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的裁片設(shè)計，難以提高材料利用率。

本文針對尾翼曲面造型特點(diǎn)，對尾翼主體蒙進(jìn)行分析，針對其前緣和后緣曲率較大，中間部分曲率較小的特點(diǎn)，提出一種新的裁片設(shè)計方法，大幅度地提高了材料利用率。

傳統(tǒng)的分片及展開方法

在傳統(tǒng)的尾翼分片設(shè)計過程中，按等百分比弦截面進(jìn)行分開，同時保證各片最大寬度不大于材料的可用寬度（一般為1.40m）及尾翼前緣和后緣所在的裁片是由左右相等的兩部分組成的一個整片。如圖1所示。

尾翼蒙皮各弦平面的截面外形具有相似性，因此可以參考圓錐和圓臺展開的設(shè)計思想。圓錐由母線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，其在展開時的兩個參數(shù)分別是展開時的半徑及其形成的扇形的圓心角。圓錐展開的平面形狀是以其側(cè)面母線長為半徑、底面周長為弧長的扇形。圓臺展開前先將其母線反向延長，補(bǔ)足頂部的圓錐，然后分別對兩個圓錐進(jìn)行展開設(shè)計，兩個扇形之差即為圓臺的展開外形。

由于尾翼蒙皮沿中心對稱面對稱，裁片設(shè)計時只需選取其中的半片即可。參考圓錐與圓臺的展開方法，借助于CATIA三維設(shè)計軟件，尾翼蒙皮各片的展開過程如下：

（1） 延長前緣線和后緣線作出交點(diǎn)，以其為基準(zhǔn)點(diǎn)（編號為A）；在尾翼上作出設(shè)計的弦截面，取其與尾翼外皮的交線，將交線與梢部平面和根部平面的交點(diǎn)分別作出并編號；

（2） 分別連接A點(diǎn)與上述各交點(diǎn)，并分別測出上述各線段的長度d（n）、D（n）；

（3） 以超出上述最大線段長度的數(shù)值L為基準(zhǔn)，沿著各線段方向分別畫出長度為L的新線段，并用樣條曲線將各線段的端點(diǎn)連接起來，測出每兩點(diǎn)之間的弧線長度r（n）；

（4） 作尾翼與氣囊交線和各等百分比截面的交點(diǎn)，作A點(diǎn)與各交點(diǎn)的線段，測出其長度p（n）。

通過上述步驟即完成了作展開圖的準(zhǔn)備工作。在展開圖中作以L為半徑的圓，以各段r（n）值計算的圓心角做出對應(yīng)的各百分比弦線的位置，按照各段對應(yīng)的d（n）、D（n）、p（n）值在各段中分別做出對應(yīng)的點(diǎn)，順接上述各對應(yīng)曲線段即可得出半片尾翼的展開圖。

新的分片及展開方法

沿弦平面方向，尾翼僅在前緣和后緣部分有較大的弧度，而中間部分過渡比較平緩，因此可以把尾翼前緣、后緣與中間部分按不同方式進(jìn)行分片。

圖1 傳統(tǒng)的裁片分片示意圖

圖2 尾翼展開方法

圖3 尾翼展開示意圖

圖4 傳統(tǒng)裁片展開示意圖

圖5 新方法裁片分片示意圖

圖6 新方法裁片展開示意圖

圖7 前緣截取多塊裁片示意圖

圖8 尾翼裁片排列示意圖

圖9 尾翼裁片排列示意圖2

在尾翼梢弦前緣取一點(diǎn)M，在根弦前緣取一點(diǎn)N，作過點(diǎn)M與N的弦截面a，用a即可截出尾翼的前緣，同理可以截出尾翼的后緣。從尾翼梢部平面開始每隔一定距離L作一個平面，直至最后一個平面已處于尾翼根肋的下緣。假設(shè)所作的平面共有X個，用此X個平面即可截出尾翼中間部分。如圖5所示。

利用CATIA軟件創(chuàng)成式曲面模塊的曲面展開功能，將尾翼前緣、后翼及中間部分分片展開。反復(fù)調(diào)整M、N、L及X的值，直至所有展開的裁片形狀類似圖6所示，即所有裁片的兩個長邊近似平行且距離接近1.40m。

如果尾翼前緣或者后緣有較大弧度的部分較寬，僅在前緣和后緣截取一塊裁片無法把裁片展開成圖6所示的形狀時?？深愃朴谧鱉與N點(diǎn)的辦法，作M1與N1點(diǎn)，甚至M2與N2點(diǎn)，M3與N3點(diǎn)……采取在前緣或者后緣截取多塊裁片的辦法，直至所有展開的裁片類似圖6所示。

實(shí)例分析

以某型號系留氣球尾翼為例，進(jìn)行說明如下

表1 系留氣球尾翼參數(shù)

用傳統(tǒng)的分片方法，按等百分比弦截面進(jìn)行分開，并采用類似展開圓錐的方法將其展開，然后進(jìn)行裁片排列如圖8所示。

由圖8可以看出，由于裁片形狀不規(guī)則，兩頭大小不一，進(jìn)行裁片排列時，材料上有很大的縫隙難以利用到，這部分材料被白白浪費(fèi)。經(jīng)過對此種分片方法的尾翼裁片進(jìn)行細(xì)致的排列后，發(fā)現(xiàn)材料利用率為69%。

采用新的分片方法，用弦截面在尾翼前緣截取三個分片，在尾翼后緣截取一個分片，其余分片用弦平面截開，再進(jìn)行排片，如圖9所示。

由圖9可以看出，尾翼裁片的排列十分緊密，材料上被浪費(fèi)掉的縫隙十分狹小。經(jīng)過對此種分片方法的尾翼裁片進(jìn)行細(xì)致的排列后，發(fā)現(xiàn)材料利用率為95%。大大提高了材料的利用率。

結(jié)語

通過合理的分片，然后借助CATIA軟件進(jìn)行展開，可以得出外形比較規(guī)則的裁片，這種裁片大大提高了材料利用率。此種裁片方法通過結(jié)構(gòu)、工藝等專業(yè)進(jìn)一步論證后，將可運(yùn)用到生產(chǎn)領(lǐng)域。由于這種方法大大提高了尾翼裁片對材料的利用率，它將具有廣泛的應(yīng)用前景。

張 華 羅 奔

中國特種飛行器研究所

張華，男，工程師，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院飛行器設(shè)計專業(yè)，研究方向：飛行器設(shè)計與制造；羅奔，男，碩士，畢業(yè)于烏克蘭國立航空大學(xué)飛行器設(shè)計專業(yè)，研究方向：飛行器總體設(shè)計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.013