法國達(dá)索公司的三維設(shè)計軟件CATIA作為航空工業(yè)界最優(yōu)秀的計算機輔助設(shè)計軟件，提供了強大的曲面造型能力。在飛機設(shè)計過程中，CATIA -改過去飛機總體設(shè)計用簡單線框示意加數(shù)據(jù)表格的飛機理論外形表示方法，實現(xiàn)了三維空間的數(shù)字化曲面造型與理論外形設(shè)計要求的充分一致，而且對于增升裝置的設(shè)計采用參數(shù)化的設(shè)計，對于氣動外形設(shè)計來說，易于修改變化，結(jié)合CFD(Computational Fluid Dynamic，計算流體動力學(xué))技術(shù)，針對流場的流動情況，快速進(jìn)行氣動外形的修改，改善氣動性能，大大縮短了飛機設(shè)計的周期。CATIA在飛機氣動設(shè)計中可以滿足曲面造型精細(xì)化、設(shè)計要求快速實現(xiàn)化等要求。
大型民用客機的增升裝置有很多種類，構(gòu)型相對復(fù)雜，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，增升裝置的設(shè)計類型趨向于簡單高效的，特別是后緣增升裝置，從早期的多縫襟翼一直發(fā)展到如今主流的單縫襟翼。例如A320的全翼展前緣縫翼和后緣單縫后退式富勒襟翼，既能保證氣動性能上的要求，又能使結(jié)構(gòu)外形盡可能的簡單，這也是增升裝置設(shè)計發(fā)展的趨勢。
本文依托CATIA強大的功能，實現(xiàn)了將二維增升設(shè)計轉(zhuǎn)換為三維增升構(gòu)型的一種方法，能夠快速、高效、精確地把二維設(shè)計轉(zhuǎn)換為三維造型，在這個過程中反映了二維設(shè)計者的設(shè)計思想，而且簡單快速地得到了三維增升裝置的打開構(gòu)型，能夠方便地進(jìn)行縫道參數(shù)的調(diào)整，這為三維增升裝置縫道參數(shù)的優(yōu)化提供了一個良好的基礎(chǔ)。
1 前緣縫翼的曲面外形生成
1.1 二維設(shè)計
三維增升裝置的設(shè)計成型是在二維多段翼形的設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在二維多段翼形設(shè)計完成之后，再將二維設(shè)計構(gòu)型轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字曲面模型。
二維多段翼形設(shè)計需要先沿機翼展向進(jìn)行控制站位的選取，具體方法是：沿著氣流來流方向在機翼的某個展向位置進(jìn)行二維翼型的離散數(shù)據(jù)點的截�。▓D1細(xì)線所示），在機翼上沿展向取6或7個控制剖面來獲取翼形數(shù)據(jù)，并對獲得的翼形數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，在得到的翼形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二維多段翼形設(shè)計。
圖1 獲取二維翼型
根據(jù)實踐經(jīng)驗，二維設(shè)計多段翼形是三維增升裝置曲面生成的基本依據(jù)，二維增升裝置氣動性能的優(yōu)劣會基本上決定整個三維增升裝置的氣動性能。因此在進(jìn)行三維增升裝置設(shè)計之前需要進(jìn)行二維設(shè)計。
在此文中我們使用6個沿展向的剖面進(jìn)行增升裝置的二維設(shè)計（圖2所示為控制剖面展向位置）。在機翼內(nèi)側(cè)布置3個剖面（包括機翼拐折處剖面），機翼外側(cè)3個，具體位置可以靈活確定，但是在機翼拐折處必須要有一個控制截面。
圖2 控制剖面展向位置
1.2 三維成型
在三維增升裝置的成型過程中將主要使用GSD(Generative Shape Design，創(chuàng)成式外形設(shè)計)這個模塊的功能，也會涉及一點FSS(FreeStyle Shaper，自由風(fēng)格造型)模塊的功能。
創(chuàng)成式外形設(shè)計：創(chuàng)成式外形設(shè)計幫助設(shè)計者在線架、多種曲面和高級特征相結(jié)合的基礎(chǔ)上，借助全設(shè)計規(guī)范的捕捉，進(jìn)行高級曲面的設(shè)計，完全參數(shù)化操作。它提供了一系列廣泛的工具，用于創(chuàng)建和修改復(fù)雜外形設(shè)計或混合零件建模中的機械零部件外形。
自由風(fēng)格造型：幾乎完全非參數(shù)化設(shè)計，除了包括GSD中的所有功能以外，還可完成諸如曲面控制點(可實現(xiàn)多曲面到整個產(chǎn)品外形同步調(diào)整控制點、變形)，自由約束邊界，去除參數(shù)等功能。
將6個剖面的數(shù)據(jù)點導(dǎo)入到CATIA翼身組合體數(shù)字模型中，按照沿機翼展向的位置和扭轉(zhuǎn)角等參數(shù)在所取機翼剖面上進(jìn)行還原，還原之后的數(shù)據(jù)點需與原本的機翼外形基本吻合，即不能改變飛機的巡航構(gòu)型(圖3所示還原之后的數(shù)據(jù)點與機翼外形相吻合)。
圖3 設(shè)計數(shù)據(jù)點與機翼
CAD技術(shù)中NURBS(Non uniform rational B-spline，非均勻有理B樣條)的出現(xiàn)，使曲線能夠盡可能的光順。NURBS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，高級三維軟件當(dāng)中都支持這種建模方式。NURBS能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動的造型。
一條k次NURBS曲線定義為
其中：ωi，i=0，1，…，n稱為權(quán)，與控制頂點di，i=0，1，…，n相聯(lián)，其作用類似基函數(shù)；Ni，k(u)是關(guān)于曲線位置參量u的k次樣條曲線基函數(shù)，u的范圍在[0，1]之間，為了保證樣條曲線二次導(dǎo)數(shù)連續(xù)，取k≥3。
將二維多段翼形數(shù)據(jù)點還原到機翼上之后，利用樣條曲線分別將縫翼剖面的數(shù)據(jù)點連接。這些得到的曲線的光順程度將會決定以后增升裝置成型曲面的光滑程度，所以應(yīng)該特別注意這些曲線的曲率，要盡量使這些曲線光順，使用FSS模塊中的3D-CURVE功能進(jìn)行曲率的改進(jìn)，CATIA有自帶的曲率分析工具可以幫助人們進(jìn)行曲率的優(yōu)化（見圖4）。使用FSS模塊中的3D-CURVE中的“近接”選項，這樣做雖然會使前緣縫翼的某些不重要的設(shè)計點不通過這條曲線，但是這些點離優(yōu)化過的曲線的距離僅僅在幾個毫米，誤差程度基本可以接受，經(jīng)過以上優(yōu)化得出的曲線的光滑程度相對于未優(yōu)化過的曲線的光滑程度高許多。
圖4 未使用3D-CURVE與使用3D-CURVE生成曲線曲率比較圖
使用經(jīng)過3D-CURVE處理過的縫翼曲線，在GSD模塊中使用多特征截面曲面工具生成曲面，這些縫翼曲線就是生成曲面的控制曲線�？p翼曲線的兩端需要與機翼的上下兩表面相切，這樣可以保證縫翼曲面能與主翼很好的連接。
使用多特征截面曲面生成曲面需要有引導(dǎo)線，這些引導(dǎo)曲線和機翼上下表面是相關(guān)聯(lián)的。在前緣縫翼的曲面成型過程中需要在機翼上表面作出2根控制引導(dǎo)線，一根控制線為1mm厚度控制線，另一根是過渡段控制線引導(dǎo)線，這2根控制引導(dǎo)線之間的距離應(yīng)該不超過當(dāng)?shù)叵议L的3%，不過在三維成型過程中可以取基本相同的距離。畫出1mm控制引導(dǎo)線是因為在實際制造過程中蒙皮有厚度，在前緣縫翼的上端和下端都將有1mm的厚度。
1mm厚度控制引導(dǎo)線，在機翼上表面作一條沿著機翼展向的曲線，再沿y向向下平移1mm，得出這條1mm厚度的控制線。作為過渡段的長度控制線，這條線需要取在機翼表面。下表面也如前所述(見圖5)。
圖5 前緣縫翼曲面成型過程中4條控制線引導(dǎo)線
作出1mm厚度的控制線引導(dǎo)線和過渡段的控制引導(dǎo)線之后，這4條曲線(前緣縫翼的上端和下端分別有2條)，連同前面經(jīng)過或未經(jīng)過優(yōu)化的縫翼剖面形狀曲線進(jìn)行本文中最重要的工作，利用多特征截面曲面(multi-sections-surface)生成縫翼曲面(見圖6(兩圖為不同視角下的視圖))。
圖6 增升裝置前緣縫翼曲面的生成
2 后緣襟翼曲面外形生成
后緣襟翼曲面的生成類似于前緣縫翼，區(qū)別在于后緣襟翼只有5個控制剖面，最外側(cè)的翼稍處的控制剖面只有前緣縫翼數(shù)據(jù)點，不需要設(shè)計后緣襟翼，而前緣縫翼有6個控制面，其余步驟與前緣縫翼的做法基本一樣，在此就不重復(fù)表述了。
圖7為增升裝置三維成型完成之后的狀態(tài)。
圖7 增升裝置完成示意圖
3 增升裝置曲面外形快速修改變換
利用CATIA的自動更新功能進(jìn)行快速的曲面外形修改。
利用增升裝置的平面圖進(jìn)行不同構(gòu)型的快速替換。平面布置圖是確定的，基本不做更改。所以替換不同增升裝置構(gòu)型時保留控制曲線，只需要在做好的前一個構(gòu)型中將前緣縫翼或者后緣襟翼剖面數(shù)據(jù)點進(jìn)行替換就可以很快地得到新的增升裝置設(shè)計曲面了。
進(jìn)行曲面快速進(jìn)行替換的重點在于CATIA中整個樹結(jié)構(gòu)層次清楚，一目了然。替換了最開始的數(shù)據(jù)點后，CATIA能夠自動進(jìn)行之后一連串始于數(shù)據(jù)點改動的關(guān)聯(lián)改變，這樣就完成了曲面的快速替換。
4 三維增升裝置縫道參數(shù)
4.1 前緣縫翼打開方式
前緣縫翼采用延伸圓弧滑軌方式，類似于Boeing 777，如圖8所示。在CATIA中實現(xiàn)這種方式的前緣縫翼運動方式，需要在空間中找到一根直線作為轉(zhuǎn)動的軸線，兩點確定一根直線，因此需要找到兩個二維情況下的轉(zhuǎn)動點。分別在機翼的翼根與翼尖處作垂直于機翼前緣的平面，將此平面與機冀、前緣縫翼面相交。二維情況下前緣縫翼繞某個點轉(zhuǎn)動，這個點就是我們需要的。連接根據(jù)這種方法得出的兩個點得到的直線就是我們所要找的三維空間中的前緣縫翼轉(zhuǎn)動軸線。此軸線只是為基本軸線，還可以在CATIA中運用平移功能進(jìn)行平移對此軸未進(jìn)一步地調(diào)整位置。
圖8 Boeing 777前緣縫翼
4.2 后緣襟翼打開方式
根據(jù)富勒襟翼的特點，后緣縫翼運動方式為既向后移動又進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，這樣的好處在于能夠較方便地進(jìn)行后緣襟冀的縫道參數(shù)的控制。
在襟翼下表面的兩側(cè)取兩點，這兩個點等距離靠近后緣襟翼的前緣，連接這兩個點，作為初始的后緣襟翼轉(zhuǎn)動軸，沿來流方向作一條直線，并且向下進(jìn)行一定角度的偏轉(zhuǎn)。此直線用作后緣襟翼平移的方向，后緣襟翼的運動方式，先將閉合的后緣襟翼與初始轉(zhuǎn)動軸沿直線進(jìn)行一定距離的平移，之后以轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行一定角度的偏轉(zhuǎn)，得到后緣襟翼打開的構(gòu)型(見圖9)。
圖9 后緣襟翼打開過程
采用這種方法可以較好的控制縫道參數(shù)。
圖10為增升裝置完全打開后的構(gòu)型。
圖10 增升裝置打開示意圖
5 算例
上文中，我們闡述了前、后緣增升裝置的成型及運動過程，在以上的設(shè)計思想指導(dǎo)下，設(shè)計了著陸構(gòu)型FD03_XU7。在對其進(jìn)行氣動分析時，為準(zhǔn)確模擬邊界層內(nèi)粘性流動特征，采用結(jié)構(gòu)化流場網(wǎng)格(見圖11)，得到兩個構(gòu)型的升力曲線如圖12所示(CL表示升力系數(shù)，AOA表示計算攻角)。圖13為構(gòu)型FD03_XU7在18°攻角時的表面流線。
圖11 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格
圖12 構(gòu)型FD03_XU7升力曲線
圖13 構(gòu)型FD03_XU7在18°攻角時表面流線
6 結(jié)論
隨著計算機輔助設(shè)計軟件技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜曲面的設(shè)計與成型能夠快速精確的實現(xiàn)。CATIA軟件有極強的曲面造型能力，在大型民用飛機的氣動外形設(shè)計過程中占據(jù)了非常重要的位置。特別是NURBS即非統(tǒng)一有理B樣條曲線的出現(xiàn)，使CATIA能夠創(chuàng)建出更逼真、生動的曲面，而且參數(shù)化的曲面曲線成型，使其在飛機的設(shè)計過程中能夠高效、精確地反應(yīng)氣動設(shè)計的意圖。CATIA能生成各種符合網(wǎng)格生成軟件的格式，基本能夠滿足任何商用網(wǎng)格生成軟件的格式輸入要求，極大地方便了CFD計算。基于參數(shù)化的設(shè)計，使CATIA對飛機氣動外形修改方便，可以根據(jù)CFD計算結(jié)果快速進(jìn)行外形修改。
在增升裝置的設(shè)計和成型過程中，CATIA可以快速、高效、精確地進(jìn)行構(gòu)型生成。飛機增升裝置展開可以直接在CATIA中進(jìn)行運動展開，縫道參數(shù)也可以方便地進(jìn)行修改，這為增升裝置尋求一個最優(yōu)位置提供了極其方便的方法。
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