应用catia曲面功能进行飞机几何外形设计的探讨

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1、阅 应用C A T I A 曲面功能进行飞机几何外形设计的探讨 应用C A T IA 曲 面功能进行飞机几何外形设计的探讨 西安飞机工业公司设计部1 0 2 室李向维 【 内容摘要】 对C A T I A 软件曲面功能和飞机主要部件的几何特征进行了 简单地分析， 对如何应用C A T I A 曲面功能进行飞机主要部件几何外形设计及曲面的处理、数学模型的管理技术作了初浅探讨。 优秀的C A D / C A M / C A E 集成应用软件C A T I A 提供了丰富的曲线、曲面功能， 空间分 析功能及一系列完整的元素管理功能，是几何造型的强有力工具。 并且以 其先进性己 成 为中国航空业界的主

2、流C A D / C A M软件。如何充分认识、消化吸收并具体应用于我们的 飞机几何外形造型设计， 是一个值得探讨的课题. 众所周知，我们以前的设计员们在构 造复杂的飞机几何外形时都要进行大量异常艰苦的计算，当然也就要求设计员们掌握精 深的数学知识。 现在，这些繁杂的计算任务己 被软件工程师交由计算机去完成， 我们的 设计员需要做的只是在计算机屏幕前用好这些工具。 虽然构造飞机表面曲面的复杂的数学运算现在是由计算机而不是由我们飞机外形 设计员来完成， 但是我们仍然需要具备一定的数学知识。 我们不需要进行构造曲 面方程 的繁杂计算但我们必须知道计算机是如何进行的。 我们必须清楚地知道在什么条件下

3、能 够生成曲 面而在什么条件下不能; 什么条件下构造出的曲 面好而什么条件下构造出的曲 面不够理想。当计算机执行某些功能时我们应当知道它的计算类型。 很难想象一点数学 概念都没有的人能够借助于计算机设计出复杂的曲面。 在这一点上我们必须建立起这样 一个理念，计算机仅仅只是实现我们全部设想的一个工具。 据了 解， B o e i n g 公司应用于飞机几何外形设计的 C A T I A 是叫增强型的 C A T I A ， 是他 们在购买了C A T I A 的核心技术后， 和达索公司的系统工程师们一起把一个个新的技术和 功能增加到C A T I A 中， 将其改造成具有航空宇航研制的特征。 我

4、们应用C A T I A 曲 面功能 进行飞机几何外形设计当 然不具备B o e i n g 那样的财力和技术实力，来将C A T I A 改造成适 合我们飞机研制特征的环境。 我们应该 在应用的基础上深入研究和探讨C A T I A 曲 面功能 的各个模块，在掌握的基础上进行一些二次开发工作。 下面结合我们对C A T I A 的一些理解，来对如何应用C A T I A 曲 面功能进行飞机主要部 件几何外形设计及曲面的处理、数学模型的管理技术作些初浅的探讨。 本文试图讨论C A T I A 软件在几何外形设计应用方面一些概念性的问 题，而不涉及具 体的操作步骤。 1 . C A T I A曲

5、面功能分析 C A T I A 软件曲 面按其生 成曲 面的 计 算类型以 及复杂程 度， 可归为 简单曲 面 和高级曲 面。 1 . 1 .简单曲面 9 8 0 4一0 9 - 1 应用C A T I A 曲面功能进行飞机几何外形设计的探讨 C A T I A 简单曲 面是其3 D 设计包中S U R F I 功能下的 所有曲 面功能。按其特点可分为 如下不同的类型: ( 1 ) 旋转曲面 ( + R E V O L U T I O N )，由如下方法定义: .标准二次曲面方程定义的规则曲 面，如圆柱、圆锥、球和环等; .绕给定轴旋转的任一曲线。 ( 2 ) 直纹曲面 ( 十 C Y L I

6、 N D E R / D E P T H )、柱面，由 如下方法定义: 曲线沿导动直线的移动; .音 i 面在特定方向的拉伸。 ( 3 ) 管道曲面 ( 十 P I P E )，由如下方法定义: 在垂直于中心线的平面内的半径为常量的圆的移动。 ( 4 ) 连接曲面 ( + C O N N E C T / C O R N E R )，由如下方法定义: 与两平面相切的柱面片; 与三平面相切的球面片。 1 .2 .高级曲面 C A T I A 高级曲 面包由以 下几个部分组成: ( 1 ) D E V E L O P 功能 D E V E L O P 功能用于建立两条曲 线所生成的可展曲面;向 下展

7、开直纹曲 面以及由这 些曲面所支撑的曲线。 ( 2 ) L A W和S U M 功能 L A W功能用来建立曲 线沿给定基线变化的一般定律， 此定律可以是半径、 角度、 面 积、 二次曲 线的 P 参数 ( P = ( 1 + f ) / 2 ) 等参数的变化规律，用以 控制过渡曲 面的演变趋 势。 例如一半径变化定律可以与一条曲 线结合建立一个变截面的管道曲 面。 S U R F 2 功能用来建立可称为过渡曲 面的高级曲 面， 这种曲 面是由生成曲 线沿给定的 基线按照某种参数变化规律演变而成的曲面， 参数变化规律就是上述L A W功能项所建立 的定律，生成曲线可以是以下类型的曲线: 线段;

8、 圆 ( 弧); 二次曲线; 任意平面曲线。 生成曲 线是在生成面内 构造出 来的，生成面必须是脊线 ( S P I N E )的 法平面。 S U M 功能也可以 用来生成称为“ 填角曲 面( F I L L E T ) “ 或“ 连接曲 面( C O N N E C T ) “ 的连接曲面以及生成间隙曲面等。 应用S U M 功能生成的曲面，其计算类型都是B E Z I E R 曲面。 S U M 功能项能够很好地构造出 规律性很强的曲 面， 所以 被更多地应用到飞机表面 曲面的设计中去。 9 8 0 4一0 9 - 2 一一一一一一一一一一旦 C A T IA 鲤r) j 0 r i3

9、也塑望探 讨 注:f 为二次曲线的形状因子 ( 3 ) NE T N E T 曲面是由 其交点叫做节点的等参网格以及节点上沿U 和V 向的切线和曲线定义 的。 N E T I 功能用于由一系列沿相同 方向分布的曲 线生成网格曲 面;通过修改节点条件 修改N E T 曲面以及通过优化未强加的条件光顺N E T 曲面。 N E T 2 功能被发展并根据交叉曲 线网格生成高度光顺的曲面。 ( 4 ) A R C 和P A T C H 功能 A R C 和P A T C H 功能用来生成B E Z I E R 类型的曲线和曲面。在B E Z I E R 基础上建立的 A R C 表达式提供了对控制点的

10、访问。 这种选择对处理设计中的约束或确定由自 动过程生 成的曲线特别有用。用这种方式可以在切线和曲率都满足的情况下用手工方式改变曲 线。进而也可以通过一系列由控制点定义的曲线来生成曲面 ( P A T C H) B E Z I E R 曲面具有一系列优良的性质，如凸 包性、几何不变性、可交互性以及可离 散性等。可用来生成非常复杂的曲面。 P A T C H曲面是C A T I A 的基本曲面类型。 ( 5 ) B S P L I N 和B S U R F 功能 B S P L I N 和B S U R F 功能用来生成 B 样条曲 线和曲 面。 这种曲 面允许沿等参线的曲 率甚 至切线不连续。

11、因而该功能为曲面设计提供了一个强有力的工具。B 样条曲面具有和 B E Z I E R 曲 面相类似的性质。 借助于某些算法( 如d e B o o r ) 可将B 样条曲面转化为B E Z I E R 曲面。 ( 6 ) N U R B S 曲面 N U R B S 功能可用来生成齐次坐标系中非均匀有理B 样条曲 线和曲 面。有理B 样条曲 面可精确描述各类曲面，可实现不同曲面类型的统一描述。 通过以上对C A T I A 曲 面功能的分析，S U R F I 和高级曲 面包中的 D E V E L O P , N E T 和 S U R F 2 比 较适合进行有规律曲 面的设计。而P A

12、T C H 曲 面、 B S U R F 曲 面和N U R B S 曲 面因 为更富于变化，也就更适合自由形式曲面的设计。 2 . 有代表性的飞机主要部件几何特征分析 只 有对研究对象的 外形、 特点 、 设计 要求、 作用以 及 它与 其它各个部件的 联系 等各 个方面有了比较透彻的了解，才有可能着手来建立它的数学模型。 2 . 1 .机翼 机翼曲 面的 构造一 般都比 较简单。 机翼的 上下表面， 一 般都是一段或几段直纹曲 面( 翼 尖除外)， 这种直纹曲 面的 基线就是 基准翼型曲 线， 每一段直纹曲 面都 有两条基 准翼型曲线。 2 .2 .机身 机身 表面是空间曲 面， 由 于

13、机身 表面 一 般都 较 大， 它的 各 个部 分的 构形 规 律 不 完 全 相同 ， 如前 机身、 机身中 段 和 机身 尾 段的 构 形 规 律 就不 尽 相同。 在构 造机 身曲 面 时， 我 9 8 0 4一0 9 - 3 应用C A T I A 曲 面功能进行飞 机几何外形设 计的探讨 们首先要按主要的纵向 线和横向 线把它划分为若干块， 使得每一块的横向 线 ( 母线) 有 相同的规律，便于用同一形式的曲面类型来表示曲面。 机身中段一般都是一段圆柱或者是上下两段圆弧围成的封闭曲线的等截面过渡， 而 前后段的收缩一般都是在圆弧的基础上以二次曲线进行一次或几次压缩。 机身表面一般都是

14、左右对称，在建立数模时可只考虑一半， 例如左侧 ( 顺航向)。 2 . 3 . 整流曲面 整流曲面如机翼机身之间、 机身短舱之间、 机身平尾之间等处的整流曲面片。 对整 流曲面的要求是在两片曲面之间做到光滑连接，满足气动要求。 3 .应用C A T I A 曲 面功能进行飞机部件几何外形的设计 3 . 1 .坐标系的确定原则 全机坐标系的确定 全机基准点定义在其原点的三面坐标轴系， 它是全机元素绘制的基准坐标轴系， 一 般应选择C A T I A 的基准坐标轴系。 辅助坐标系的确定 参照全机坐标轴系绘制部、组件会有诸多不便，因此需要建立方便部、组件绘制的 辅助坐标轴系。 选择部、 组件坐标平面

15、时， 应尽量使其与飞机设计的基准平面或主要结 构平面相一致。 3 .2 .曲面功能选取原则 曲 面功能的选择取决于应用， 有时也取决于加工方法。 为满足同一理论外形设计要 求，可以 使用不同的曲 面造型功能， 但理论外形设计应遵循一定的原则: 在满足构形要求的情况下: 尽量采用简单曲面; 尽量采用直纹曲 面; 尽量减少曲面类型。 3 .3 .机翼设计 首先按照机翼相对全机的关系， 建立其局部坐标系; 在机翼局部坐标系下建立机翼的基准翼型曲 线; 用基准翼型曲线构造直纹曲面。 3 .4 机身设计 按前、中、后段分为几个段件，根据需要建立每个段件的局部坐标系。 在各段的局部坐标系下首先按主要的纵、

16、横向线将其划分为若千块。 建立纵向基线，如机身上、下零纵、最大半宽度线等。 使一条按一定 规律定义的 动线沿基线的 对应点 运动， 其所描绘出 的 轨迹就是 所求的 机身曲面。 3 . 5 .整流曲面的设计 9 8 0 4一0 9 - 4 应用C A T I A 曲面功能进行飞机几何外形设计的探讨 建立两曲 面之间的整流曲 面， 根据要求可以 按等半径给出圆弧填角曲 面， 也可以 给 出 半径按一定规律变化的圆弧类填角曲 面 ( 对应于S U R F 2 中 F I L L E T )。 当然，也可以按要求给出两曲 面之间按任意曲线过渡的整流曲面。 3 .6 .生成曲面过程中若干问题的处理 应用过渡曲面 ( L A W和S U R F 2 ) 进行曲面设计过程中经常会遇到诸如I M P O S S I B L E GE MOT RY, S P I NE I NCOMP AT I BL E WI T H DI R C R V, I NC OMP AT I B L E DI R C UR VE S O R L A WS , S P N C R V T A N D D I R I