飛機(jī)研發(fā)過程中的主幾何設(shè)計(jì)方法

李玉平

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

1 主幾何的定義

在飛機(jī)研發(fā)的設(shè)計(jì)階段，數(shù)字樣機(jī)（Digital Mock-up）主要由主幾何模型（Master Geometry）、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則模型（Design Principle）、邊界和接口模型（Frontier and Interface model）、空間定位模型（Space Allocation Mock-up）組成。而主幾何是飛機(jī)研發(fā)過程中數(shù)字樣機(jī)的重要組成部分之一。

主幾何又稱為“控制幾何”“控制模型”等，是飛機(jī)研發(fā)過程的氣動(dòng)表面設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)定位，也是整個(gè)詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造流程的基礎(chǔ)。主幾何代表了相關(guān)單位或部門要使用的主要飛機(jī)幾何數(shù)據(jù)的唯一參考數(shù)據(jù)庫。

從內(nèi)容和工作分工的角度來說，主幾何包括氣動(dòng)表面、坐標(biāo)、曲線、參考面、內(nèi)部包線。根據(jù)工作分工，合作伙伴及供應(yīng)商負(fù)責(zé)創(chuàng)建各自部分的主幾何。圖1為主幾何示例。

從飛機(jī)研發(fā)的階段來說，主幾何的創(chuàng)建和使用開始于可行性階段，并大部分在定義階段剛剛結(jié)束之后凍結(jié)。

一般來說，主幾何的主要用戶包括：

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)組件定義；

系統(tǒng)：燃油、襟翼、起落架、APU、布線、空調(diào)等；

制造、工裝和夾具；

氣動(dòng)：性能分析、后期方案改進(jìn)；

有限元分析；

后續(xù)項(xiàng)目：飛機(jī)類型變化研究；

風(fēng)洞：模型設(shè)計(jì)。

圖2為主幾何的用戶圖。

圖1 主幾何示例

圖2 主幾何的用戶

2 主幾何所包含的內(nèi)容

主幾何一般包括所有在飛機(jī)或部段層級與項(xiàng)目里程碑相關(guān)的主幾何的條目，主要是指在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段之后，在飛機(jī)層級，主參考全局外形模型、全局坐標(biāo)基準(zhǔn)模型以及相關(guān)圖紙；還包括更詳細(xì)的幾何形狀，例如壁板、結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)面的參考。對于飛機(jī)的坐標(biāo)軸系來說，主幾何包括全局及部段坐標(biāo)系統(tǒng)（機(jī)身、掛架、平尾等等）。對于飛機(jī)的表面來說，主幾何所包括的氣動(dòng)表面是飛機(jī)的設(shè)計(jì)外部形狀，也稱為主幾何交付的放樣線（loft-line）。放樣線可能不是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際外表面，因?yàn)槠渲芯植亢穸仍黾?，或者面板發(fā)生了重疊。對于機(jī)翼來說，放樣線是機(jī)翼蒙皮的外部。

主幾何包括的氣動(dòng)表面外形包括飛行外形，具體如下：①設(shè)計(jì)外形。優(yōu)化的外形包括主要的設(shè)計(jì)迭代，例如風(fēng)動(dòng)計(jì)算外形。②從飛行試驗(yàn)測量的實(shí)際外形。③在定義階段之前存儲飛行模型及1個(gè)飛行基準(zhǔn)，即全球軸線。④在地面裝滿燃料的最大撓度。

主幾何包括的氣動(dòng)表面外形還包括工裝外形，工裝外形在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要。這是為整個(gè)飛機(jī)定義的外形，并且是制造外形，不受質(zhì)量、升力和氣動(dòng)的影響。飛機(jī)的很多部段只有工裝外形，例如所有的機(jī)身部段、平尾、吊架和發(fā)動(dòng)機(jī)艙。

工裝外形有不同的狀態(tài)，舉例如下：①初始工裝。由工裝保證上反角的飛行機(jī)翼外形。②來自更好的強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)工裝外形，用于機(jī)翼部件設(shè)計(jì)和制造；③工裝的優(yōu)化外形。主幾何所包括的其他表面有：蒙皮面板；結(jié)構(gòu)定位內(nèi)面或參考面；帶有不同的邊界但形狀重復(fù)的面板放樣線表面；由其他公司決定的部段層級的其他參考面；可移動(dòng)表面，例如襟翼、副翼、板條；結(jié)構(gòu)參考平面；外部加固等。

3 主幾何的管理

主幾何的管理可以分為2個(gè)層級，飛機(jī)層級的管理和部段層級的管理。

對于飛機(jī)層級的主幾何管理，主要包括以下內(nèi)容：①使用從PDR/CDR（初步設(shè)計(jì)評審/關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審）流程輸出，負(fù)責(zé)進(jìn)行飛機(jī)部段分解坐標(biāo)系統(tǒng)模型的創(chuàng)建；②發(fā)放飛機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)模型到參與工作的各個(gè)設(shè)計(jì)伙伴公司；③接收來自設(shè)計(jì)伙伴公司部段的濕外形主幾何，并符合全局主幾何裝配；④隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，接收并管理合作伙伴公司部段詳細(xì)的主幾何；⑤檢查所有部段都準(zhǔn)確地集成。

對于部段層級的主幾何管理，主要包括以下內(nèi)容：①基于主幾何的輸入、輸出，是公司與合作伙伴的唯一聯(lián)絡(luò)點(diǎn)；②檢查主幾何的交付物是否符合OEM制定的并行工作規(guī)則；③發(fā)起數(shù)據(jù)傳遞的輸入、輸出；④確保主幾何符合頂層飛機(jī)需求。主幾何一般在初步設(shè)計(jì)階段開始的時(shí)候凍結(jié)，可以理解為它可以隨著后續(xù)幾何修訂來更新。主幾何的生命周期貫穿飛機(jī)的全壽命周期，包括服務(wù)及服役中的狀態(tài)，例如，它可以接受機(jī)翼飛行外形在服役中更新。為了控制全局飛機(jī)幾何構(gòu)型和部段幾何構(gòu)型，最終的形狀必須由飛機(jī)的型號來批準(zhǔn)，通過正式發(fā)布文件的方式來進(jìn)行。如果幾何已發(fā)送，這個(gè)批準(zhǔn)要傳達(dá)給所有負(fù)責(zé)主幾何的部門。任何最終外形的更新，必須在PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）工具中通過更改和新的設(shè)計(jì)方案來管理。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段結(jié)束的時(shí)候會(huì)有轉(zhuǎn)階段的活動(dòng)。最終的主幾何模型復(fù)制并按照定義檔案的規(guī)則命名，在PDM中2個(gè)模型之間會(huì)有追溯性鏈接。

4 主幾何的業(yè)務(wù)流程

主幾何設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)流程主要包括分析輸入并澄清規(guī)范、生成基本幾何、生成表面、批準(zhǔn)設(shè)計(jì)、發(fā)放和發(fā)布等幾個(gè)子業(yè)務(wù)流程分解，如圖3所示。

分析輸入并澄清規(guī)范子流程主要包括的活動(dòng)如下：分析市場；優(yōu)化整個(gè)飛機(jī)（空氣動(dòng)力、強(qiáng)度、質(zhì)量、成本、系統(tǒng)集成）；定義任務(wù)、飛機(jī)尺寸、乘客人數(shù)；定義質(zhì)量；定義發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)包線；定義全局約束/定義；定義基線管理和構(gòu)型管理等。

圖3 業(yè)務(wù)流程分解圖

生成基本幾何子流程主要包括的活動(dòng)如下：對氣動(dòng)和放樣團(tuán)隊(duì)的外形進(jìn)行裝配和集成；定義二維線框曲線；定義初始點(diǎn)、曲線、切截面；分析初步CFD并優(yōu)化廓形；采用放樣意見，定義來自氣動(dòng)約束的曲線；檢查表面質(zhì)量。

生成表面子流程主要包括的活動(dòng)如下：從曲線創(chuàng)建曲面，檢查表面質(zhì)量、CFD（網(wǎng)格劃分、計(jì)算）、分析結(jié)果、修改表面；生成盡可能滿足制造要求的理論表面（飛行外形閉合）；基于風(fēng)洞制造要求，調(diào)整理論表面；檢查表面質(zhì)量；定義風(fēng)洞模型的可制造性設(shè)計(jì)；進(jìn)行風(fēng)洞測試；優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于制造要求調(diào)整表面（比如曲率半徑、反射、后緣厚度、相切匹配、差距、拔模斜度）；檢查表面質(zhì)量；輸出生產(chǎn)面。

批準(zhǔn)設(shè)計(jì)子流程主要包括的活動(dòng)如下：對氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)作最后的檢查；按需作出變更；對鏈接到表面模型的文件簽字批準(zhǔn)；定義基線管理和構(gòu)型管理。

發(fā)放和發(fā)布子流程主要包括的活動(dòng)如下：簽發(fā)放樣圖號；通過存儲在主存儲庫發(fā)布幾何；定義基線管理和構(gòu)型管理；檢查鏈接到上層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的所有模型。

圖4 主幾何流程

5 飛機(jī)不同研發(fā)階段主幾何流程的區(qū)別

主幾何流程可以被分解成3個(gè)主要的子流程。但取決于相關(guān)的里程碑，它們在細(xì)節(jié)的不同層次提供了同樣的交付物，如圖4所示。

主幾何在飛機(jī)研發(fā)的可行性研究階段，在總體層面使用通用流程來提供初始幾何，包括飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、安定翼和尾翼。主幾何在飛機(jī)研發(fā)的概念階段，使用通用流程來審查全局幾何，并按需添加或修改幾何。在部段層級細(xì)化幾何，包括前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、腹部整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)、短艙、活動(dòng)部件、整流罩等。主幾何在飛機(jī)研發(fā)的定義階段，使用通用流程來審查全局和部段幾何，并按需添加或修改幾何。在子部段層級細(xì)化幾何。

6 總結(jié)

主幾何是組成主要幾何參考的數(shù)字樣機(jī)（DMU），它大大豐富、細(xì)化了數(shù)字樣機(jī)的管理，同時(shí)又在設(shè)計(jì)早期對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)安裝，以及其他領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。主幾何流程開始于可行性研究階段，在定義階段的開始凍結(jié)。主幾何是可行性階段、概念設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段及制造階段的接口，它代表了由所有利益相關(guān)方使用的主要飛機(jī)幾何數(shù)據(jù)的單一參考數(shù)據(jù)庫，主幾何數(shù)據(jù)的管理延長了飛機(jī)的壽命。

［1］中國人民解放軍總裝備部.GJB 3206A—2010技術(shù)狀態(tài)管理［S］.北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2010.

［2］鄒冀華，范玉青，蔣建軍.歐洲空客飛機(jī)構(gòu)型控制與更改技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2006（8）：62-67.

［3］鄭曉曦，孫國正.虛擬樣機(jī)系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（01）：117-119.

［4］范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［5］熊光楞，王克明，郭斌.數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)［J］.智能制造，2004（z1）：33-34.

［6］K Artto，J Kujala，Perttu Dietrich，et al.Analysis of project risk management in the National Aeronautics and Space Administration（NASA）［R］.NASA Ames Research Center，2008.

［7］ICOS Engineering.System engineering handbook：A guide for system life cycle processes and activities［M］.Hoboken：John wiley&Sons，2015.

［8］IEEE.ISO/IEC FDIS 15288—2007.Systems and software engineering——System life cycle processes［S］.Second edition.[s.l]，2007.

［9］A Landi，M Nicholson.ARP4754A/ED-79A-Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems——Enhancements ， Novelties and Key Topics.Sae International Journal of Aerospace，2011，4（2）：871-879.

［10］Hinridisen J.A380-flagship aircraft for the new century.Sampe Journal，2002，38（3）：8-12.