舰载机机翼模型的快速建模技术*

梁振刚，韩 铁，张广荣，袁志华，段 梅

（1.沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159；2.北京理工大学机电学院，北京 100081；3.解放军92840部队，山东 青岛266405；4.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；5.辽沈工业集团有限公司研究所，沈阳 110045）

舰载机机翼模型的快速建模技术*

梁振刚1，2，韩 铁1，3，张广荣4，袁志华1，段 梅5

（1.沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159；2.北京理工大学机电学院，北京 100081；3.解放军92840部队，山东 青岛266405；4.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；5.辽沈工业集团有限公司研究所，沈阳 110045）

舰载机机翼结构的优化设计过程中需要建立大量的复杂仿真模型，传统仿真软件不能解决其快速建模问题。基于航空领域中广泛使用的CATIA设计平台，提出了一种针对某型号舰载机机翼模型的快速建模方法。通过对模型种类划分、建模基准及建模标准化流程的封装，建立了机翼中各类组成零件三维模型的快速设计模板，实现了快速自动建模。结果表明，机翼骨架快速建模系统能够建立优质高效的三维模型，为整机的分析及系统的仿真提供了有力的保障。

舰载机，优化设计，仿真模型，CATIA，快速建模

0 引言

舰载机是航空母舰最主要的武器，其性能的好坏直接体现了航母的战斗力。随着我国第一艘航母——辽宁舰的下水，舰载机的研制任务也变得更加迫切。本文以此为背景，开展了某型号舰载机机翼骨架仿真模型的快速建模技术研究。

仿真是复杂机械系统研制必须的手段，所谓计算机仿真，一般是通过建立逼真的仿真模型来模拟真实系统内发生的过程，再进一步结合实验来研究设计中的系统［1］。传统仿真软件很难胜任机翼结构件的三维建模工作，因此，对一些零部件，如翼肋、翼梁、悬挂接头等采用CAD系统建模的方法会比较便捷［2］，但这种建模工作中会存在一些影响仿真效果或工作效率的因素。首先，不同操作者在手动建立三维模型过程中的表示方法、设计模式、参照标准往往会因个人知识背景或其他众多不确定因素而导致数据模型有所差别，即模型的质量不能得到很好的保证，所以在向仿真分析系统内导入CAD模型的时候常会存在图元丢失、不易划分网格等问题［3］；其次，机翼的打样设计阶段是一个伴随有计算和分析、修改和优化的循环迭代过程，需要建立大量的仿真模型作为设计基础。所以通过CAD系统手动建模的方法工作量繁重，耗费了设计人员宝贵的时间与精力。

本文以CATIA V5设计软件为平台，利用CAA作为二次开发工具，通过特征拼接的方法并结合有关的API函数接口，实现了机翼典型件模型的快速建模，为进一步的仿真计算奠定了基础。

1 舰载机机翼结构分析

机翼作为一种复杂的受力结构，通常由展向（翼展方向）骨架，如：翼梁、长桁、前后墙和弦向（横向）骨架，如：普通翼肋、加强翼肋以及表面蒙皮等共同组成［4-5］，如图1所示，下面就针对几种典型的结构单元进行分析。

图1 机翼结构

翼梁：是机翼在翼展方向最主要的受力单元，其根部通过对接接头与机身固定。翼梁一般由腹板、上下缘条以及对接带板组成，为保证梁的稳定性通常在其腹板两侧沿纵向布有加强立筋。

长桁：用于翼肋与蒙皮之间的连接，同时具有一定支撑作用，其各段剖面形状基本相同，可以分为开截面桁条和闭截面桁条。为贴合壁板内表面同时方便连接，长桁通常在中段添加下陷，在末端加工出梯度连接端。

前后墙：也统称为纵墙，与蒙皮相连接，多布置在机翼的前后边缘处，其根部通过铰链与机身固定。纵墙结构与翼梁相似，但其缘条较弱，腹板上也没有减轻孔。

翼肋：外形和机翼轮廓大致吻合，可分为普通翼肋和加强翼肋，前者用于维持机翼的整体形状，后者的作用则是将副翼和起落架等传来的集中力分散传递给翼梁、纵墙和蒙皮等构件。翼肋的结构要素主要包括：腹板（网）、翻边（表面肋）、长桁缺口（切口）以及弯边减轻孔（肋孔）等特征。

2 机翼零件的参数化建模

实现机翼仿真模型自动建立的实质是通过编程控制，使建模者的数据按照指定的规则传递到CATIA V5系统，这需要访问软件系统的内部资源和数据［6］，而利用CATIA V5的二次开发工具CAA能够很好地实现这一过程。CAA是法国达索公司为CATIA系统提供的组件应用架构，有着丰富的命令函数，它是基于面向对象的程序设计，通过搭建对象模型和对象连接，结合嵌入技术来实现CATIA二次开发的。

在确定零件参数和建模基准的基础上，使用程序驱动法编写的机翼零件的快速建模程序可与CATIA建模软件连接后编译运行。该方法通过与用户的交互完成设计工作，集成度高，能把设计中的参数关系、几何约束和工程约束关系直接赋予程序中。这样可以很大程度上方便机翼零件的快速设计，同时提高设计效率和准确性。

以机翼内应用最广的翼肋件为例，将其主要几何参数概括为：上下两缘条分别距离上下翼面的偏置量m1和m2、两侧端头的偏置量m3和m4、上下两缘条的宽度B1和B2、两侧端头的宽度B3和B4以及豁口的长度与深度即M和N等，如图2所示。

图2 翼肋参数

同时结合翼梁的自身形状及其在机翼中的位置，将翼肋的建模基准概括为：梁轴线、上翼面、下翼面、肋轴线、端头轴线和机翼弦平面等，如下页图3所示。

在此基础上可将该仿真模型的自动建模原理总结如下，如图4所示。

（1）通过交互式界面得到零件参数及建模基准；

（2）利用CATIA命令函数将规范化的建模流程封装在对应的模板内；

（3）调用模板，通过特征拼接，自动建立仿真模型。

图3 翼肋建模基准

图4 建模原理图

3 机翼零件建模模板

3.1 模板的设计

模板是一组针对某类型零件预先编写好的程序代码，它可以模拟仿真模型在创建过程中的人机交互操作。所以在进行某类仿真模型建模时通过调用匹配的模板，结合要求做适当的设定即可通过程序驱动快速得到理想的三维模型。

舰载机的机翼结构由翼梁和翼肋等主要元件及多种接头、角钢等次要原件组成。因此，可将仿真建模的对象划分为：普通机加件、钣金件、结构机加件、型材和典型特征等5类零件。通过对CATIA二次开发定制出机翼典型零部件的参数化建模模板库菜单，如图5所示。

图5 模板库菜单

机翼仿真模型的快速建模模板包括：零件模板的选择模块（如图6）、建模基准的拾取模块（如图7）和模型参数的输入模块（如图8），它们可引导操作者为零件的快速建模做正确的输入以便后台程序的顺利驱动。

图6 零件模板的选择界面

图7 建模基准选择界面

图8 参数输入界面

模板具体设计过程通常参考设计者手动建模时的操作顺序进行设计，现以翼肋为例说明其模板的设计过程：

（1）定义鼠标拾取动作并拾取构件要素；

（2）判断基准元素的选取顺序及数量是否有误；

（3）插入几何图形集，用于放置建模过程中产生的用于参考的点、线、面等几何元素；

（4）创建翼肋的通用毛坯基体，具体包括创建定位草图、绘制并约束草图、拉伸凸台、判断设计者选择翻边的类型等过程；

（5）创建翻边、减轻孔、切口等特征。

3.2 模板的程序封装

通过CAA编程实现仿真模型的建立。首先需要结合有关的航空标准及后续分析仿真步骤的要求来分析该模型在CATIA中的建立步骤；再将建模步骤细分成若干节点，如定位草图SetAxisData（）、绘制图元CreateLine（）、约束草图CreateConstraint（）、创建特征CreatePad（）和布尔运算CreateAdd（）等，通过CATIA的各API接口函数来实现这些功能节点；最后实现自动建模的目标。通过模板实现仿真模型自动建立的过程可以概括如下：

（1）在CATIAV5中打开整个机翼结构的仿真模型；

（2）为待建立的仿真模型选取最为匹配的设计模板；

（3）定义仿真模型的构型、建模基准及其在机翼布置处的定位基准；

（4）输入设计参数，将数据传递给CATIA系统，完成整个仿真模型的建立。

4 仿真模型的快速建模实例

钣金类零件在机翼中的应用最为广泛，且往往具有厚度小、曲面多、形状复杂、精度高和特征附带约束繁多等特点［7］，现以钣金翼肋的仿真模型为典型实例，通过特征的有序叠加说明其快速建模的过程。

（1）通过调用CAA航空钣金模块的接口函数，首先将按需求自动设定钣金参数，进而绘制腹板草图，如图9所示。

图9 翼肋草图轮廓

在此基础上通过调用接口函数，进一步创建网和翻边特征，得到三侧翻边钣金肋基体，如图10所示。

图10 翼肋基体

（2）利用图10箭头指示的几何元素作为下一个待拼接特征的建模基准，进一步创建长桁切口和弯边减轻孔特征，如图11所示。通过观察图中左侧CATIA特征树上的建模过程及零件几何体内的特征组成可以看出，使用这种自动建模方法得到的仿真模型具有高度的设计一致性。

图12中是处在设计过程中机翼的部分结构，可见翼肋等零件在整个骨架内布置众多，通过上述机翼仿真模型的自动建模技术，可以快速实现大量翼肋类零件的快速建模及布置工作，自动建模技术为实现系统仿真提供了有力的保障。

4 结束语

在舰载机机翼结构分析的基础上，通过CATIA的二次开发建立了各类典型机翼零件的仿真模型自动建模模板。模板将建模流程进行了固化和封装，有效地解决了仿真模型的统一性建模、重复性建模等问题。

图11 特征拼接

实例表明，该建模方法能够稳定高效地实现对机翼结构三维模型的快速建立，对机翼乃至整机系统的后续仿真研究有着积极意义。

［1］廖华媛.基于GIS宏观仿真模型的建立于应用［D］.上海：同济大学，2008.

［2］刘永强.飞机翼身自动对接仿真系统研究与开发［D］.南京：南京航空航天大学，2011.

［3］任晓莉，李丽，廖湘辉.基于CAD软件的ANSYS实体建模［J］.机械与电子，2004（10）:77-79.

［4］郝银凤，王帮峰，芦吉云，等.飞行器变体机翼结构设计与仿真［J］.计算机仿真，2013，30（9）：36-40.

［5］蒋余芬，朱纪洪，刘世前.弹性机翼动力学建模与仿真［J］.系统仿真学报，2006，18（8）:5-12.

［6］严晓光，陈哲，居桦，等.面向Pro_NC系统的加工仿真模型自动建立［J］.组合机床与自动化加工技术，2012，9（9）:6-12.

［7］罗明强，冯昊成，刘虎，等.机翼结构有限元的快速建模及自动化调整［J］.北京航空航天大学学报，2011，37（6）: 680-684.

Research on the Rapid Modeling of Carrier-Based Aircraft Wing Model

LIANG Zhen-gang1，2，Han Tie1，3，ZHANG Guang-rong4，YUAN Zhi-hua1，DUAN Mei5
（1.School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；
2.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；
3.Unit 92840 of PLA，Qingdao 266405，China；4.Great Wall Motor Co，Ltd.，Baoding 071000，China；
5.Institute of Liaoshen Industry Group Co，Ltd.，Shenyang 110045，China）

The optimum design process of the carrier-based aircraft wing structure needs to create a large number of complex simulation models，the modeling capabilities of traditional simulation software can not solve the problem of rapid modeling.So this paper proposes a rapid modeling method for models on a certain type of carrier–based aircraft wing，which is based on the CATIA used widely in aviation field.By the division of research on the model，modeling the benchmark and encapsulation of the standardization of modeling process，a rapid design template of three-dimensional model on various parts of the wing to achieve the fast automatic modeling is eatablished.The results show that the rapid modeling system of the wing skeleton can create 3D models with high quality and efficiency，and provide a strong guarantee for the wing analysis and system simulation.

carrier-based aircraft，optimization design，simulation model，CATIA，rapid modeling

N945.12

A

1002-0640（2015）03-0033-04

2014-01-15

2014-03-28

国家自然科学基金资助项目（61170146）

梁振刚（1973- ），男，辽宁沈阳人，讲师，博士研究生。研究方向：CAD/CAM。