廉 佳

海軍駐閻良地區(qū)航空軍代室，西安 710089

飛機(jī)外形參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用探索

廉 佳

海軍駐閻良地區(qū)航空軍代室，西安 710089

本文介紹了參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn),給出CATIA系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化設(shè)計(jì)的手段，著重討論了飛機(jī)外形參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，以供飛機(jī)外形設(shè)計(jì)人員參考。

飛機(jī)外形設(shè)計(jì)；CATIA；數(shù)學(xué)模型；參數(shù)化設(shè)計(jì)

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于CAD/CAM系統(tǒng)的航空產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)正在推廣應(yīng)用，尤其體現(xiàn)在各種新型號研制中，都廣泛地采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

由于航空制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，型號研制任務(wù)越來越多，研制的周期、質(zhì)量和成本等因素對飛機(jī)制造業(yè)的影響也越重要。而先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法、手段以及實(shí)施途徑是最有力的保證。如何快速建立滿足各種方案設(shè)計(jì)、預(yù)研要求的飛機(jī)外形數(shù)學(xué)模型，已成為急需解決的問題。參數(shù)化設(shè)計(jì)為快速地生成飛機(jī)三維外形數(shù)模提供了一種有效的途徑。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)簡介

參數(shù)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前CAD技術(shù)重要的研究領(lǐng)域之一。所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)是指參數(shù)化模型的尺寸用對應(yīng)的關(guān)系表示，而不需用確定的數(shù)值。變化一個(gè)參數(shù)值，將自動改變所有與它相關(guān)的尺寸，也就是采用參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，自動實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。簡而言之，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為可以調(diào)整的參數(shù)。對變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到隨參數(shù)變化大小和形狀的模型。如果建模者將參數(shù)化設(shè)計(jì)思想有始至終貫徹到整個(gè)模型設(shè)計(jì)過程中，那么在后續(xù)的工作中將會大量減少不必要的重復(fù)勞動，更可以將整個(gè)設(shè)計(jì)周期大大地縮短。

2 CATIA系統(tǒng)下參數(shù)化模型的建立

在CAD中要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是建立參數(shù)化模型。參數(shù)化建模一直都是CAD設(shè)計(jì)人員探索的問題，其關(guān)鍵是如何用實(shí)物的特征參數(shù)來自動控制和生成實(shí)物三維模型，而且特征參數(shù)發(fā)生改變能夠自動的反映到三維模型中。CATIA系統(tǒng)具有參數(shù)化建模的功能，其可視化工具能使設(shè)計(jì)人員在可視化的環(huán)境下，高速高效地完成三維建模工作。在CATIA V5中可通過參數(shù)、公式、表格、特征等驅(qū)動圖形達(dá)到改變圖形的目的。

2.1 利用系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束驅(qū)動圖形

CATIA V5具有完善的系統(tǒng)參數(shù)自動提取動能，它能在草圖設(shè)計(jì)中，將設(shè)計(jì)人員輸入的尺寸約束作為特征參數(shù)保存起來，并且在此后的設(shè)計(jì)中可視化地對它進(jìn)行修改，從而達(dá)到最直接的參數(shù)驅(qū)動建模的目的。

尺寸驅(qū)動是參數(shù)驅(qū)動的基礎(chǔ)，尺寸約束是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動的前提。CATIA V5的尺寸約束的特點(diǎn)是將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，通過尺寸約束來實(shí)現(xiàn)對幾何形狀的控制。設(shè)計(jì)時(shí)必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)（全約束），不能漏注尺寸（欠約束），不能多注尺寸（過約束）。尺寸驅(qū)動是在二維草圖——Sketcher空間下實(shí)現(xiàn)的。草圖中的V和H坐標(biāo)軸是尺寸約束中的參照基準(zhǔn)，只有草圖中的圖形相對于V、H軸的所有位置關(guān)系都確定后，該圖形才能完全約束（無過約束也不欠約束）。圖形完成約束后，其尺寸和位置關(guān)系才能協(xié)同變化，系統(tǒng)會直接將尺寸約束轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)。草圖修改可通過編輯系統(tǒng)參數(shù)直接驅(qū)動幾何形狀的改變，為三維參數(shù)驅(qū)動提供基礎(chǔ)。

2.2 利用用戶參數(shù)和公式驅(qū)動圖形

CATIA V5不僅具有系統(tǒng)定義的參數(shù)，而且還有用戶自定義參數(shù)。設(shè)計(jì)人員通過用戶自定義參數(shù)和公式的工具，可以很方便地制定出所要的各種各樣的參數(shù)以及約束這些參數(shù)的公式。CATIA V5中有幾何參數(shù)（如：點(diǎn)、線、曲線、曲面等）、物理參數(shù)（如：長度、質(zhì)量、密度等）、無量綱參數(shù)（如：整數(shù)、實(shí)數(shù)）、字符型參數(shù)及布爾型參數(shù)等多種類型參數(shù)供用戶自行選擇。用戶自定義公式是CATIA V5中聯(lián)系系統(tǒng)參數(shù)與用戶參數(shù)的樞紐。用戶參數(shù)定義后，設(shè)計(jì)者可針對用戶參數(shù)與三維模型中對應(yīng)的特征參數(shù)建立相應(yīng)的公式，從而通過用戶參數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而控制圖形的尺寸。

3.3 其他方式

在CATIA V5中還可以利用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動圖形，有兩種圖標(biāo)文件：一種是文本格式的圖標(biāo)文件，一種是Excel格式的圖標(biāo)文件。設(shè)計(jì)者僅需將特征參數(shù)制成文本型或Excel型表格，通過CATIA V5本身自帶的工具——Design Table對表格的各條記錄進(jìn)行訪問，從而達(dá)到修改尺寸、改變形狀的目的。此外還可通過規(guī)則和檢驗(yàn)對三維模型的特征進(jìn)行控制和檢查，需要通過編程來實(shí)現(xiàn)。

3 飛機(jī)外形參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

（1）普及航空專業(yè)知識，提升外形設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)

飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)必須滿足飛機(jī)總體設(shè)計(jì)的需求?？傮w設(shè)計(jì)需求主要是飛機(jī)的性能指標(biāo)或設(shè)計(jì)指標(biāo)，具體包括氣動特性、操穩(wěn)特性、隱身特性以及安全性、經(jīng)濟(jì)性等等，而這些指標(biāo)是從設(shè)計(jì)上加以體現(xiàn)。比如，對于低速飛機(jī)的機(jī)翼大多采用平直機(jī)翼；高速飛機(jī)大多采用三角機(jī)翼；在隱身飛機(jī)設(shè)計(jì)中飛機(jī)口蓋、外形設(shè)計(jì)對飛機(jī)的電磁散射特性有特殊要求等。只有外形設(shè)計(jì)人員掌握了各種相關(guān)的航空專業(yè)知識，才能與飛機(jī)總體設(shè)計(jì)融為一體，更好地理解總體設(shè)計(jì)思想，具有與總體設(shè)計(jì)溝通的基礎(chǔ)和平臺，才能在外形設(shè)計(jì)中更好地實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)意圖。

（2）建立外形設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫

搜集世界上眾多現(xiàn)有飛機(jī)的外形數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，包括飛機(jī)整體外形和部件外形，形成外形設(shè)計(jì)人員的支持性工具庫。例如：搜集各種典型飛機(jī)的外形布局、機(jī)翼形式、尾翼形式、進(jìn)氣道形式、各種翼型等，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料庫。

（3）化不規(guī)則體為規(guī)則體，建立規(guī)則體參數(shù)

在外形設(shè)計(jì)中，任何一架飛機(jī)都可以理解為一個(gè)具有特殊功能的不規(guī)則幾何體，而不規(guī)則體可以分解為眾多的標(biāo)準(zhǔn)幾何體，標(biāo)準(zhǔn)幾何體的三維特征參數(shù)容易確定。比如機(jī)頭可以分解為由部分球體和圓錐等構(gòu)成，球的特征參數(shù)就可以定義為球的半徑、角度；圓錐的參數(shù)可以定義為輪廓線及其旋轉(zhuǎn)軸。在外形設(shè)計(jì)中確定了標(biāo)準(zhǔn)幾何體的特征參數(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)幾何體的參數(shù)化模型，形成標(biāo)準(zhǔn)模型庫。這樣，飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)是否可以理解為標(biāo)準(zhǔn)幾何模型的堆積，形象地說就是搭積木。

（4）研究不規(guī)則體中各規(guī)則體之間的參數(shù)變化關(guān)系

既然飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)可以理解為搭積木，那么，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體的參數(shù)變化必然引起相關(guān)的其他幾何體的變化。外形設(shè)計(jì)中還需要探索和研究這些變化規(guī)律和規(guī)則，確定它們之間的變化關(guān)系將其參數(shù)化加以控制。飛機(jī)部件有多少個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體組成，這些標(biāo)準(zhǔn)體之間的聯(lián)系也已經(jīng)確立，那么部件設(shè)計(jì)就非常容易，其變化也有一定的規(guī)律。飛機(jī)由哪些部件組成，各部件之間的變化關(guān)系同理也能夠得到。這樣就能建立起完整的飛機(jī)外形參數(shù)化模型。有了外形參數(shù)化模型，外形設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量就會得到很大提高，最終能夠滿足飛機(jī)總體設(shè)計(jì)的需求。

4 結(jié)束語

參數(shù)化設(shè)計(jì)是CAD技術(shù)中的一個(gè)基礎(chǔ)而又重要的技術(shù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大大提高模型的生成和修改的速度。成為初始設(shè)計(jì)、系列設(shè)計(jì)和多方案比較的有效手段。參數(shù)化設(shè)計(jì)是未來設(shè)計(jì)發(fā)展的方向?，F(xiàn)階段要做的是積極學(xué)習(xí)相關(guān)知識、開闊眼界、拓展思路、吸取并掌握別人的經(jīng)驗(yàn)、不斷索取，從而使我們外形設(shè)計(jì)能力得到根本的提高和發(fā)展，也使我們更能適應(yīng)未來設(shè)計(jì)發(fā)展的需要。

中國科協(xié)與學(xué)會負(fù)責(zé)人相約懇談 共謀學(xué)會發(fā)展大計(jì)

1月21日，中國科協(xié)全國學(xué)會負(fù)責(zé)人懇談會在中國科技會堂舉行。中國科協(xié)書記處書記、黨組成員馮長根同志就學(xué)會工作與學(xué)會負(fù)責(zé)人進(jìn)行深入探討。會議由中國科協(xié)學(xué)會學(xué)術(shù)部副部長朱雪芬同志主持。中國紡織工程學(xué)會理事長孫瑞哲，副理事長王竹林、施楣梧，秘書長龔進(jìn)禮等學(xué)會主要負(fù)責(zé)同志受邀到會，中國科協(xié)學(xué)會學(xué)術(shù)部有關(guān)同志參加了會議。

中國紡織工程學(xué)會理事長孫瑞哲向馮長根書記介紹了學(xué)會一年來在學(xué)術(shù)交流、科技評價(jià)、社會服務(wù)及自身建設(shè)等方面取得的成績，總結(jié)了學(xué)會工作的成功經(jīng)驗(yàn)。中國紡織工程學(xué)會在近幾年發(fā)展勢頭良好，在中國科協(xié)學(xué)會創(chuàng)新發(fā)展示范項(xiàng)目支持下，積極組織建立了紡織科技人才服務(wù)戰(zhàn)略聯(lián)盟，以提高科技人才素質(zhì)、促進(jìn)科技人才成長、滿足行業(yè)發(fā)展對科技人才的需求為目的，在促進(jìn)紡織行業(yè)人才培養(yǎng)、鼓勵(lì)相關(guān)學(xué)科技術(shù)創(chuàng)新、加快科技與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合等方面起到積極的作用。學(xué)會負(fù)責(zé)人還就學(xué)會發(fā)展中的問題與學(xué)會學(xué)術(shù)部負(fù)責(zé)同志進(jìn)行了探討。

馮長根指出，學(xué)會應(yīng)該充分發(fā)揮在行業(yè)內(nèi)的決策咨詢作用，重視自身研究能力的建設(shè)，積極推進(jìn)學(xué)會思想庫建設(shè)，創(chuàng)建隸屬于學(xué)會的實(shí)體性研究機(jī)構(gòu)。依靠以招聘等形式建起的專業(yè)研究隊(duì)伍，既可以承擔(dān)產(chǎn)業(yè)宏觀規(guī)模的大型綜合性質(zhì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目，也可以研究學(xué)科前沿的具體科研項(xiàng)目，全面提升學(xué)會為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展服務(wù)，為提高全民科學(xué)素質(zhì)服務(wù)，為科學(xué)技術(shù)工作者服務(wù)的能力。

此次懇談會是按照書記處領(lǐng)導(dǎo)同志的指示舉辦的，以全面了解全國學(xué)會發(fā)展現(xiàn)狀、深入剖析學(xué)會在運(yùn)行發(fā)展中的問題、加強(qiáng)科協(xié)與學(xué)會高層負(fù)責(zé)人的溝通為會議目的，會議進(jìn)一步創(chuàng)新了業(yè)務(wù)主管單位與學(xué)會負(fù)責(zé)人之間的交流形式，加深了彼此的了解。今后中國科協(xié)學(xué)會學(xué)術(shù)部還將繼續(xù)以多種形式加強(qiáng)與所屬各全國學(xué)會的交流和協(xié)作。

“十一五”863計(jì)劃生物和醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域?qū)ｎ}課題驗(yàn)收會在北京召開

2月23-24日，“十一五”863計(jì)劃生物和醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域?qū)ｎ}課題驗(yàn)收會在北京召開。本次會議對2007-2008年立項(xiàng)的“基因操作和蛋白質(zhì)工程技術(shù)”、“新一代工業(yè)生物技術(shù)”、“生物信息與生物計(jì)算技術(shù)”和“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)”四個(gè)專題的全部課題進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)收。科技部生物中心馬宏建副主任、安道昌副主任以及社發(fā)司、計(jì)劃司的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)參加了會議。

本次課題驗(yàn)收工作共邀請包括領(lǐng)域?qū)＜?、同行技術(shù)專家在內(nèi)的約60位專家，按照任務(wù)書中規(guī)定的任務(wù)和目標(biāo)、課題進(jìn)展及任務(wù)完成情況、主要成果及應(yīng)用、課題經(jīng)費(fèi)使用、固定資產(chǎn)購置等幾個(gè)方面進(jìn)行了檢查。檢查共分為7個(gè)小組，22個(gè)?。ɑ蛑陛犑校┑慕?30家單位參加此次課題驗(yàn)收。

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“跨海特大跨徑鋼箱梁懸索橋關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范”項(xiàng)目通過驗(yàn)收

近日，科技部高新司組織專家在舟山市召開了“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“跨海特大跨徑鋼箱梁懸索橋關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范”的驗(yàn)收會。該項(xiàng)目由交通運(yùn)輸部作為組織部門，有14個(gè)單位參與共同完成。

該項(xiàng)目主要針對跨海特大跨徑懸索橋的建設(shè)，重點(diǎn)開展了結(jié)構(gòu)體系與抗風(fēng)性能、關(guān)鍵材料與施工控制關(guān)鍵技術(shù)、建設(shè)管養(yǎng)技術(shù)等方面的研究與應(yīng)用示范攻關(guān)。驗(yàn)收專家組聽取了項(xiàng)目承擔(dān)單位關(guān)于項(xiàng)目研究的相關(guān)匯報(bào)，審閱了相關(guān)資料，視察了依托工程現(xiàn)場。

專家認(rèn)為項(xiàng)目研究形成的海洋環(huán)境特大跨徑鋼箱梁懸索橋勘察設(shè)計(jì)、抗風(fēng)、關(guān)鍵材料、施工、結(jié)構(gòu)監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)管理等建設(shè)核心技術(shù)，體現(xiàn)了當(dāng)代橋梁的最新建設(shè)理念，支撐了世界最大跨度鋼箱梁懸索橋-西堠門大橋的安全、優(yōu)質(zhì)和高效建成，并在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和多座大跨徑懸索橋梁建設(shè)中得到了推廣應(yīng)用，對于現(xiàn)代橋梁技術(shù)發(fā)展具有重要的推動作用，社會和經(jīng)濟(jì)效益顯著，項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。驗(yàn)收專家組同意該項(xiàng)目通過驗(yàn)收。

通過本項(xiàng)目研究共總結(jié)技術(shù)報(bào)告98篇，出版專著7部，研發(fā)大跨徑懸索橋設(shè)計(jì)、施工分析軟件7套，發(fā)表論文120篇，開發(fā)新產(chǎn)品4項(xiàng)，取得專利26項(xiàng)，其中發(fā)明專利9項(xiàng)，取得工藝、工法6項(xiàng)，形成生產(chǎn)線2條，編制標(biāo)準(zhǔn)、指南13部，培養(yǎng)了一批橋梁建設(shè)高科技人才。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.009