3基于CATIA二次开发的直升机机身外形参数化建模苏涛勇 .docx
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1、精品名师归纳总结其次十八届 2021)全国直升机年会论文基于 CATIA 二次开发的直升机机身外形参数化建模苏涛勇 陆洋南京航空航天高校旋翼动力学国家级重点试验室,南京,210016)摘要: 为了讨论直升机机身对旋翼的气动干扰,对直升机的机身外形进行优化设计,应用一种基于类别函数/外形函数变换的参数化建模方法,讨论出一种直升机CAD 模型的外形参数化方法。该方法可以用较少的参数完成了直升机的机身外形建模。应用VB 环境下 CATIA 二次开发技术,开发了一个直升机机身三维外形快速生成的软件。实例说明,该软件能够快速的自动生成直升机的机身三维外形,实现了直升机的机身外形参数化建模。关键词: 直升
2、机外形设计。 运算机帮助设计。 参数化模型。 CATIA 。 二次开发0 引言直升机工作在非常复杂非定常流场中,在该流场中,旋翼产生的尾迹的影响占主导位置。旋翼的尾迹与机身之间会产生严峻的气动干扰,这种干扰会直接影响到直升机的性能、飞行品质和振动特性等,因此在直升机设计过程中需要对直升机的机身外形进行优化1 。如何用一组参数来描述直升机机身外形并快速生成直升机的机身三维外形模型是进行机身外形优化的前提条件。参数化建模为快速生成直升机的机身外形模型供应了一个有效的途径。所谓几何外形参数化建模,就是用一组参数来约束设计对象的结构外形。对于直升机这类复杂系统的多学科优化设计中,几何参数化建模具有举足
3、轻重的位置,它有利于保护设计对象的几何结构上的完整性、相容性和一样性,并为其它学科如气动分析、结构分析供应支持 2。飞行器外形复杂,目前主要采纳 NURBS 的方法进行参数化建模 3-5 ,虽然 NURBS 的方法能较精确的飞行器的外形,但是由于所需的掌握参数太多,不便于在优化设计中获得很好的应用。 2006年,波音公司的 Kulfan 等人针对这些问题提出了一种基于外形函数 /类别函数变化的参数化方法shape function/class function transformation , CST ) 6-8,这种方法的优点是参数具有明确的几何含义,所需掌握参数较少,适用性强,建模精度较好
4、。在国内,南京航空航天高校余雄庆等人将CST方法运用于固定翼飞机外形参数化建模9-10 ,取得较好成效。对于直升机,其机身外形相对于固定翼飞机更加复杂,本文尝试将CST 参数化建模方法运用于直升机机身外形参数化建模。本文以机身气动布局优化设计为背景,针对直升机机身外形参数化CAD 模型问题,运用 CST 的参数化方法,建立了直升机机身外形参数化数学模型,通过CATIA 二次开发技术,开发了一个依据所输入的直升机机身外形参数能自动生成直升机外形CAD 模型的软件,最终,以典型直升机机身外形设计作为应用算例,验证该方法的可行性与适应性。1 CST 参数化方法在 CATIA 中建立直升机机身的三维C
5、AD 模型通常是依据直升机机身的特点横截面及纵向的轮廓线通过多截面曲面功能得到的。直升机机身外形参数化模型关键问题是如何用一组较少的参数来描述直升机的特点横截面及纵向轮廓线。波音公司的Kulfan 等人第一提出了一种翼型参数化建模的方法,即 CST。随后又将这种方法推广到一般曲线、曲面的参数化建模。以下给出CST 参数化可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结建模方法。1.1 CST 翼型建模如图 1 所示为典型翼型在直角坐标系下的定义,c 为翼型弦长,翼型厚度为2,上翼面后缘端点纵坐标为,下翼面后缘端点纵坐标为。图 1 典型翼型在直角坐标系下的定义CST 方法对于翼型上翼面 式中:,
6、 类别函数的表达式为2外形函数的表达式为3在类别函数中,N1 和 N 2 为掌握类别函数外形的参数,对于不同的N1 和 N2 的值,所表示的类别函数的外形是不同的,如图2 所示:N 1=0.5,N 2=1N 1=0.5,N 2=0.5N 1=0.25,N2=0.25N 1=0.25,N2=0.75图 2 当外形函数为1 时, N1 ,N2 取不同值所描述的几何外形对于外形函数,更常用的是伯恩斯坦多项式的定义,其数学表达式如下:4其中可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结所以,外形函数可定义为:5依据 CST 翼型参数化建模方法,类别函数中的N 1 与 N2 主要掌握的是翼型前缘和后缘
7、的外形,外形函数主要是掌握前缘到后缘的过渡部分翼型所通过的坐标点。参数的个数取决于伯恩斯坦多项式的阶数,一般情形下,阶数越高,所需的参数就越多,从而拟合翼型的精度就越高。1.2 机身横截面建模挑选合适类别函数的参数,CST 方法可以用于直升机机身横截面外形的描述。将一个封闭的横截面分为上下两部分,其上部分外形如图3 所示。图 3 机身横截面外形的描述由 CST 方法可知:678所以上部分椭圆图形的数学表达式为9其中对于类似的机身横截面,转变类别函数的N1 及 N 2,可以得到不同的外形,类似于图2 所示。外形函数假如取常数可以掌握对称外形的宽高比。因此,应用CST 方法,通过转变相应的类别函数
8、的参数及外形函数,可以描述各种机身的横截面外形。1.3 机身纵向轮廓线建模在直升机外形设计中,机身及发动机舱整流罩等的纵向轮廓线属于一般曲线,如图4 所示。图 4 一般曲线外形描述直升机外形的纵向轮廓线较为复杂,假如对整条轮廓线仅用一个函数式表示,由于所需掌握点过多,伯恩斯坦多项式的阶数过高,可能会导致由伯恩斯坦多项式定义的CST 参数化方法所拟合可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的曲线显现严峻的病态。对于直升机外形的纵向轮廓线,可以把其分成几段,对每一段采纳和翼型相同的方法进行建模,通过转变N1、N2 ,可以掌握曲线起点和终点的外形,然后依据几个特点位置的纵坐标值及开口高度,可
9、以完成此类曲线的建模。综上我们可以得出: CST 方法具有很强的曲线建模才能,通过较少的参数就可以满意直升机外形参数化建模的要求。2 直升机机身外形参数化建模直升机机身外形主要由机身主体、发动机整流罩、垂直尾翼及水平尾翼等部件组成。在讨论旋翼对机身的气动干扰时,直升机旋翼所产生的流场作为外部输入给出,故暂不对旋翼系统进行参数化建模。对直升机机身外形进行参数化设计,第一对各个部件分别进行参数化建模,然后依据各部件的位置参数完成整个直升机机身外形的建模。下面以某典型直升机为例详细说明直升机机身外形的参数化建模过程。2.1 某典型直升机机身主体及发动机整流罩外形参数化建模直升机机身主体可以分为前机身
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