基于逆向工程的f18e

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1、基于逆向工程的基于逆向工程的 F/A-18E/F 建模及评估建模及评估摘要摘要 逆向工程以产品模型为研究对象，以测量技术，计算机辅助设计技术为基逆向工程以产品模型为研究对象，以测量技术，计算机辅助设计技术为基 础，在航空航天，汽车，泊船，模具等领域使用广泛。基于照片图象的逆向础，在航空航天，汽车，泊船，模具等领域使用广泛。基于照片图象的逆向 工程摆脱了必须有实物的尴尬，本文提出基于三视图重建飞机外形的方法。工程摆脱了必须有实物的尴尬，本文提出基于三视图重建飞机外形的方法。 飞机外形的外形定义大多采用二次曲线，复杂线形采用样条定义，当模型建飞机外形的外形定义大多采用二次曲线，复杂线形采用样条定义

2、，当模型建 完后，对曲面进行评估，不断修形不断迭代。雷达散射截面完后，对曲面进行评估，不断修形不断迭代。雷达散射截面 RCS 是战斗机重是战斗机重 要的性能指标，它与目标大小，极化方式，材料等有关。本文提出关于要的性能指标，它与目标大小，极化方式，材料等有关。本文提出关于 F18E 隐身估计的方法，并利用隐身计算软件隐身估计的方法，并利用隐身计算软件 FEKO 计算两个关于单站，双站，水计算两个关于单站，双站，水 平极化，垂直极化的实例。最终探讨飞机外形设计方法和隐身技术的发展。平极化，垂直极化的实例。最终探讨飞机外形设计方法和隐身技术的发展。 本文主要研究内容如下：本文主要研究内容如下： 1

3、 在综述逆向工程的原理和发展现状下，提出基于飞机三视图和参考模在综述逆向工程的原理和发展现状下，提出基于飞机三视图和参考模 型点云建立飞机模型的方法。型点云建立飞机模型的方法。 2 在介绍了雷达截面隐身的概念和对飞机外形设计的要求后，利用估算在介绍了雷达截面隐身的概念和对飞机外形设计的要求后，利用估算 方法粗略评估方法粗略评估 F18E 飞机各个部件对飞机各个部件对 RCS 的贡献和分布。的贡献和分布。 3 给出利用给出利用 ANSYS ICEM CFD 专业网格划分工具对专业网格划分工具对 F18E 飞机的机翼飞机的机翼 进行符合计算要求的网格划分方法。进行符合计算要求的网格划分方法。 4

4、对电磁计算软件对电磁计算软件 FEKO 介绍后，给出计算电介质板在水平和垂直极化介绍后，给出计算电介质板在水平和垂直极化 下的单站下的单站 RCS 分布，同时对头锥电介质加圆柱体导电体一类目标的双分布，同时对头锥电介质加圆柱体导电体一类目标的双 站站 RCS 进行计算。进行计算。 5 结合自己建立模型的经验，给出对飞机外形的一般处理方法，同时分结合自己建立模型的经验，给出对飞机外形的一般处理方法，同时分 析隐身技术对飞机设计的影响。析隐身技术对飞机设计的影响。关键词：关键词： 逆向工程逆向工程 雷达散射截面雷达散射截面 RCS FEKO ANSYS ICEM CFD 极极 化化 电介质电介质英

5、文摘要英文摘要 第一章第一章 概述概述 1 11 1研究飞机逆向工程的目的和背景研究飞机逆向工程的目的和背景111 研究飞机逆向工程的目的研究飞机逆向工程的目的 飞机设计是一项复杂的系统工程，外形设计又处在这个系统工程中的 基础地位。外形理论数据是结构及系统设计的先决条件，将作为设计输入被 后续专业广泛引用。外形专业与气动、结构、系统各专业工作的关联同步、 数据引用、协调等问题，一直贯穿于飞机设计的全过程，并影响着飞机研制 的进度。随着计算机技术的迅猛发展，电子样机技术也得到长足的进步。国内 外各个飞机研究所已经普及无图纸设计，利用功能强大的 CAD/CAM/CAE 软件， 建立飞机全机的三维

6、电子样机，进行三维外形，有限元分析，数字化制造的 协调，己经在工程中得到应用。一架飞机的外形数模决定了军用飞机的空气 动力性能，隐身性能。这主要是通过提高机动性和降低可探测性来提高飞机 在复杂电磁空战模式和突防严密的防空系统时的生存力。为了了解和分析过 国外的飞机设计思路，获得三维数学模型是捷径。利用外形数字模型划分网 格后，可以利用空气动力软件和隐身计算软件来评估飞机的机动能力和隐身 能力，前提是模型足够准确。112 逆向工程的应用和发展逆向工程的应用和发展 起源于精密测量和质量检验专业的逆向工程使反向设计思路得到实现。 逆向工程的应用非常广泛。在航空航天，汽车，模具制造业，工业设计，医 学

7、，电子商务等领域都有重要价值。总结起来，主要包括以下情况： （1） 航空航天领域和汽车行业，当然设计需要通过实验测试才能飞机模 型和工件模型时，通常采用逆向工程的方法。这类零件一般具有复 杂的自由曲面外形，如何将最终模型的外型精确地输入计算机建立 数学模型，即逆向工程。比如对不容易购买或购买成本太高的飞机 零部件，可以通过激光跟踪仪进行测绘仿制，节约外汇，摸透别人 的设计思路和提高国产率。 （2） 尽管 CAD 技术发展迅速，各种商业软件的功能也日益强大，但目前 还无法满足一些复杂曲面零件的设计要求，设计师或美学师通常根 据概念设计制造出黏土或泡沫的比例模型，最终需要运用逆向工程 将这些实物模

8、型转换为 CAD 模型。 （3） 在修复破损的艺术品或缺乏供应的破损零件等，此时不需要对整个 零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原型的设计思 想，指导新的设计。往往需要通过实验对零件的功能和性能分析来 最终确定零件的形状，将最终符合要求的模具数字化，并重建 CAD 模型，在再次制造该模具时就可以运用这一模型生成加工程序，就 可大大减少修模量，提高模具生产率，降低零件成本。 （4） 在医学领域，CT 成像和 MRI 成像是当今流行的成像技术，它们主 要是通过扫描人体组织器官获得大量的测量数据并在计算机上可视 化显示，以识别病理组织，有时为了获知骨头的受力分析或者软组 织的变形分析，也

9、需要用逆向工程技术重建出计算机模型。 从 20 世纪 90 年代以来，逆向工程成为大幅度缩短产品开发周期和提 高竞争力的主要手段之一。国外主要有美国 Imageware 公司的 surface，英国 Delcam 公司的 copycad 等，一些流行的 CAD/CAM 软件系统也开发了 类似模块，如 Pro/E 的 Scantool，Unigraphics 的 Poitcloud 等。日本开 发了从 MRI，CT 重新构三维实体的软件，美国开发了 CT 可视化的软件。 国内开展逆向工程研究的单位很多，如浙江大学，华中科技大学， 西安交通大学，西北工业大学等，并取得了一定成绩。浙江大学 CAD

10、实验 室在 CT 复原三维模型开展了大量研究，推出了 RE-SOFT 软件系统。清华 大学激光快速成型中心进行了照片反求，CT 反求研究。照片反求是通过 提取实物照片的几何信息，建立实物的数字模型。随着逆向工程更深入的 发展，它与飞机工程结合更加紧密，推进仿生飞机和特殊设计用途的飞机 的发展。1 12 2F-18EF-18E 飞机的数据和三视图飞机的数据和三视图121 F-18EF-18E 飞机的性能数据飞机的性能数据F-18/E 虽然它也有一些不足之处，但其良好的短距起降性能、突出的低 空突防能力，特别是超常规的机动能力在现役战斗机中可以说是首屈一指， 其航电系统设计也属世界领先水平。随着

11、F-14 的退役和 A-12 攻击机项目的 取消，F-18/E 成为美国海军的绝对主力，研究它对于我国开发新型舰载机和 找到对抗它的战术方法都有益处，其参数如下：尺寸数据：机长 18.31 米；机高 4.88 米；翼展（含翼尖导弹）13.62 米 （折叠机翼）9.32 米；机翼面积 46.45 平方米；展弦比：4.0，平尾面积 8.18 平方米。性能数据：最大平飞速度 M 1.8；最大速度（中等推力）M 1.0；实用 升限 15240 米，最大作战高度 13865 米，甲板风速最小时，弹射起飞速度 30 节，着舰回收速度 15 节，作战半径 390 海里。航母 150 海里内执行夺取海上 空中

12、优势任务，携带六枚 AAM，三个 1818 加仑外部油箱，航行时间 2 小时 15 分钟。动力装置：台通用电气公司的 F414-GE-400 涡扇发动机，单台加力 推力可达 97.9 千牛，推重比达到 90。重新设计了进气道，采用 Caret 形进气 口， 大大减少 RCS。使用 JP5 燃料，内部燃油总量增加了 1637 千克，并可携 带 5 个 1250 升或 1818 升副油箱，最大载油量可达 17148 升。可以用于执行空 中加油任务。122 F-18E 飞机的改进措施和效果分析飞机的改进措施和效果分析F/A-18E/F 不只是增大 C/D 型而已，它在每一方面都改良很多，从外型来 看

13、 E/F 型基本上是 C/D 型尺寸放大 25，但在航程、有效负载、返航携弹 重量、生存性上，E/F 型都有相当高水平的设计。E/F 型机身较 C/D 型 长 86 公分（34 英寸） 、主翼面积多 25、水平尾翼大 36、垂直尾翼大 15，机 翼前缘延伸板（LEX）放大多 34，最大起飞重量增加 2730，30,000 公 斤（66,000 磅） ，最大推力也增加 25至 196 千牛顿推力。为能减轻重量，E/F 型取消了 C/D 型后机身上的减速板，改在机翼前缘 延伸板 （LEX） 两边装置扰流板。此外，飞行控制系统可以将扰流板推上， 副翼举上，后缘襟翼放下和尾舵均向外打，来达到减速的功能

14、。延伸板主要是 用于控制在高攻角时由 LEX 产生的涡流，它也能用来增加在高攻角时机首向 下之俯仰力距的控制力。E/F 型采用由洛马公司所发展的四重数位电子线传飞 行控制系统，而为减轻重量，E/F 型取消了原来在 C/D 型上的机械备份控制 系统，飞机上唯一留下的控制缆线是连至捕捉钩的钢索，也由于取消了机械控 制系统，飞机的纵向静稳定也因而减少，大大改善了飞机的运动性；其另一影 响是电力启动系统数目大大增加，由 3 套增至 9 套以保障飞行安全。没有办法把 F-18E 飞机改进成全隐身飞机，当可以在某些特定的方位上降低 雷达信号，特别是前向和后向。他们的改进计划如下：在座舱盖上镀上一层铟 锡氧

15、化物，用来反射雷达波，避免雷达射线在座舱内多次强烈的反射。AESA 天线完全去掉驱动系统。发动机进气道向下和向外成一定角度，以反射雷达信 号远离头向，主起落架和发动机检修口盖的锯齿边缘，以及各种涂层的表面处 理，减少突出天线的数量，并将温度和空速/静态探管组合成一个短小的传感器。 整个 E/F 飞机的隐身涂料为 70 千克，比 C/D 型飞机减少了 40 千克，E/F 的雷 达反射讯号足足比最新的夜间攻击 C/D 型减少 1/10 以上。123 逆向建模的三视图逆向建模的三视图 建模基于的 F-18E 的三视图为：1 13 3飞行器雷达散射截面飞行器雷达散射截面 RCSRCS 计算的意义及现状

16、计算的意义及现状131 飞机雷达散射截面飞机雷达散射截面(Radar(Radar CrossCross Section)Section)计算的意义计算的意义 新概念的飞机要求有新的设计手段。隐身飞机作为飞行器中崭新的类型， 在起初始设计时就必须将隐身需求作为主要需求加以限制，军用飞机的重要 指标。RCS 预估技术，通过理论预测为正在设计中的隐身飞机的 RcS 提供参考。它在隐身飞机设计过程中有以下作用: 1. 在方案设计阶段，提供基于隐身考虑的选择依据。 2. 在原型设计阶段，预估整机的 RCS，减少重复设计，降低设计成本。 3. 定型阶段，对飞机局部散射源进行理论预估和实验研究，提供修改依 据，进行控制和缩减。 4. 实用阶段，对使用中出现的问题，提供弥补和修改参考。 由于积累的经验和雷达吸波材料、复合材料的进步以及计算机处理能力 的提高，使得对复杂飞机外形的 RcS 预估成为可能，为设计人员提供了更加 自由的设计空间。在计算机软硬件飞速发展的今天，RCS 预估技术己