面向概念设计的飞机外形快速建模方法的研究与实现

査栋烨，林国鹏，邓向阳，徐超，刘浩

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

面向概念设计的飞机外形快速建模方法的研究与实现

査栋烨，林国鹏，邓向阳，徐超，刘浩

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

为实现飞机设计的快速建模，从飞机外形设计入手，将飞机外形分为若干模块，对各模块如机翼、起落架、尾翼等进行详细分类介绍，并利用Maya建立相应模型数据库，便于设计人员根据设计理念选择相应模型快速接合，从而实现飞机外形的快速设计。

概念设计;飞机外形设计;模块化;Maya

在飞机研发的构想和立项阶段，项目构想者的一个重要工作就是设计出飞机的整体外形，而飞机外形在设计时经常需要修改，虽然目前的一些工业设计软件，如Alias可以制作出逼真的飞机外形，但这些软件都是通用型软件，并不是针对飞机外形设计专门制作的软件。在现有软件基础上直接制作飞机外形的过程，是一个全手工的从无到有的制作过程，工作量比较大。因此，如何快速地设计出飞机外形并缩短设计周期是一个亟待解决的问题。

1 飞机外形构造及参数描述

飞机外形主要包括机身、机翼、尾翼、起落架以及一些附属部件。以下选择几个典型部件进行阐述。

1.1 机翼

机翼按照形状不同主要可划分为3种常见基本机翼:平直翼、后掠翼和三角翼，如图1所示。机翼外形数据一般需要在理论分析的基础上，通过风洞试验论证取得。在选定翼型配置后，可以根据总体轮廓参数［1］如机翼面积S、翼展、翼弦、展弦比A、梢根比λ1、后掠角、上反角等来确定机翼外形。

1.2 机身

图1 3种基本翼型形状

飞机机身的外形和发动机的类型、数目及安装位置有关［2］。机身的侧面形状为拉长的流线体，现代飞机侧面形状受驾驶舱的影响很大，有的驾驶舱平滑的露于气流之中，有的则埋藏在机身之内;剖面形状有圆、椭圆、方、梯形等，可根据不同用途及速度范围来选择机身剖面。机身设计主要参数有:最大横截面积S、长细比l/d、机身长度l、机身头部和尾部的长细比等。本文为简化起见，只选机身长度、长细比、最大横截面积这几个参数。

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组成，垂尾由垂直安定面和方向舵组成［3］，如图2所示。根据飞机的功用、空气动力性能等情况不同，尾翼有不同的构造形式，大致分为单立尾、双立尾、三立尾、平尾在立尾上部的后掠尾翼、后掠式平尾与立尾、V型尾翼、鸭式尾翼等数十种不同构型。尾翼外形设计参数主要包括展弦比、后掠角、翼型相对高度及梯形比等。一般在初始设计阶段可参考同类飞机的统计数据。

2 飞机各部件模块化概念设计

飞机外形概念设计建模的快速成形，首先需要广泛搜集现有飞机外形设计所用的结构和参数，并对各部件分别进行分类整理，再对各个部件进行建模，模型既可以通过对实体模型进行三维扫描所得立体模型进行编辑得到，也可以直接在Maya软件中按照已有飞机外形设计参数尺寸建立。最后将机身、机翼、尾翼这3个主要部分共同组成的模型数据库作为模块设计的基础。

图2 尾翼组成与构造

下面阐述模块化快速设计的过程，由于机翼、机身及尾翼3个部分处理方法类似，这里仅以机翼为例介绍模块设计方法。

本文选择Maya软件原因如下:(1)Maya有强大的三维建模功能，便于模型的修改和编辑;(2)利用Maya能方便地制作出飞机演示动画;(3)Maya是一个基于结点的插件式软件架构，提供了方便用户制作API插件的方法。利用Maya提供的MEL语言［4］制作如图3所示的名为“Wing”的机翼模块插件，部分MEL代码如下:

此段程序定义了插件窗口，以及对模型库的检索匹配和导入的程序。

图3 Wing界面

设计者可以根据设计要求通过该界面输入机翼的机翼面积S、展长比Rb、展弦比A、梢根比λ1、后掠角、安装角、上反角等轮廓参数，输入如图3所示参数，按下确定之后便可以选择导入与所输入参数相近的模型，如图4所示，设计者可以根据实际设计展长、梢根比等参数对其进行再次编辑、调整。

图4 导入模型

对于其他的飞机部件，也可以利用MEL编写类似的程序，使飞机外形概念设计模块化。设计人员通过参数来选择相似的已有的飞机外形模型，并在此基础上根据需要进行修改，在各个部分都达到效果之后，通过组合安装，使之成为一个整体。

3 实例

以某飞机外形设计为例，表1和表2分别列出了外形设计所需的机翼和尾翼外形参数。机身长30m，长细比为10。

表1 机翼外形参数

表2 尾翼外形参数

利用参数选择最接近的模型图，按具体数值进行修改，最终组合安装生成如图5所示的飞机的外形三维图。

4 结束语

本文利用Maya软件建立飞机外形的实体模

图5 最终生成的飞机外形

型，形成了一系列模块化的数据库，可以根据飞机外形设计的具体要求，对模型库现有的三维模型部件进行编辑、组合，最终得到符合设计理念的飞机外形效果，并且可以利用Maya强大的动画功能，利用动画演示更形象地展示飞机。由文中实例可以得知此方法具有相当的可行性，这种快速建模的方法省去了常规繁琐的绘图过程，能够大大节约设计时间，将飞机概念设计中外形的设计速度提升一个档次。

［1］宋静波.飞机构造基础［M］.北京:航空工业出版社，2011: 14－15.

［2］谢岳峰，余雄庆.基于CATIA二次开发的飞机外形参数化设计［J］.计算机工程与设计，2008，29(14):3792－3794.

［3］史超礼.航空概论［M］.北京:国防工业出版社，1978:191－192.

［4］Mark R Wilkins，Chris Kazmier，Stephan Osterburg，et al.Maya动画师MEL脚本编程全攻略［M］.北京:电子工业出版社，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

南京航空航天大学2012～2013学年大学生创新训练项目(20120126206603)

査栋烨(1992—)，男，江苏常州人，南京航空航天大学本科生，专业为机械工程及自动化。