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無(wú)人機(jī)外形參數(shù)化建模及CATIA二次開發(fā)*

2011-12-07 08:05:18廖炎平王嘉博
關(guān)鍵詞:二次開發(fā)機(jī)翼外形

廖炎平,劉 莉,王嘉博

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

0 引言

在無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)階段中,無(wú)人機(jī)的外形參數(shù)需要反復(fù)修改,傳統(tǒng)的幾何外形建模中幾何元素和其屬性之間沒(méi)有相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系,模型的修改必須重新進(jìn)行繪制,建模效率低。而參數(shù)化建模技術(shù)為快速生成無(wú)人機(jī)幾何外形提供了一個(gè)有效的解決方法。

無(wú)人機(jī)幾何外形參數(shù)化描述方法是用一組盡量少的外形參數(shù)來(lái)比較精確描述無(wú)人機(jī)的幾何外形。文中分機(jī)翼類和機(jī)身類兩種基本部件描述無(wú)人機(jī)幾何外形,著重研究了CST方法在無(wú)人機(jī)幾何外形參數(shù)化描述中的應(yīng)用。目前參數(shù)化建模設(shè)計(jì)程序主要有兩種[1-3]:①基于圖形庫(kù)的方法;②基于現(xiàn)有商業(yè)CAD軟件二次開發(fā)的方法。

文中的參數(shù)化設(shè)計(jì)程序是利用VB程序進(jìn)程外訪問(wèn)的方式對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā),利用CATIA強(qiáng)大的幾何建模功能,建立了無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)階段的幾何外形參數(shù)化模型,提高了概念設(shè)計(jì)階段效率。

1 無(wú)人機(jī)外形參數(shù)化

無(wú)人機(jī)外形由機(jī)身、機(jī)翼、平尾和垂尾幾部分組成。文中主要介紹機(jī)翼類和機(jī)身類部件的外形參數(shù)化描述方法。

1.1 機(jī)翼外形參數(shù)化

機(jī)翼幾何外形通過(guò)翼型(剖面形狀)和外形參數(shù)進(jìn)行描述。

1)常用機(jī)翼剖面參數(shù)化方法有線性形函數(shù)擾動(dòng)法和特征參數(shù)描述法。線性形函數(shù)擾動(dòng)法是在基準(zhǔn)翼型上疊加形函數(shù)擾動(dòng),變量的取值范圍受限。而特征參數(shù)描述法描述的翼型容易出現(xiàn)奇異。文中采用Kulfan[4-7]提出的CST方法描述機(jī)翼剖面形狀。翼型上下表面坐標(biāo)用下式定義:式中:ψ=x/c為翼型無(wú)因次x坐標(biāo);ξ=y(tǒng)/c為翼型無(wú)因次y坐標(biāo);ΔξU=y(tǒng)uTE/c為翼型上表面后緣厚度比;ΔξL=y(tǒng)uLE/c為翼型下表面后緣厚度比;C(ψ)=ψN1·(1-ψ)N2為翼型的類函數(shù),對(duì)于一般的圓頭部、尖后緣翼型,N1為0.5,N2為1.0。翼型上表面的形函數(shù)為;翼型下表面的形函數(shù)為;系數(shù)Aui和Ali為翼型上下表面部件形函數(shù)的系數(shù),它們可用于翼型數(shù)值優(yōu)化中的外形參數(shù)變量,也可通過(guò)最小二乘擬合獲得指定翼型外形對(duì)應(yīng)的系數(shù)。在翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)中,為了保證翼型上下表面前緣曲率的連續(xù)性,翼型上下表面前緣半徑必須相同,即Aui=0=Ali=0。

部件形函數(shù)Si(ψ)用伯恩斯坦多項(xiàng)式表示如下:

式中:N表示翼型上下表面伯恩斯坦多項(xiàng)式的階次;K表示與伯恩斯坦多項(xiàng)式相關(guān)的二項(xiàng)式系數(shù)。二項(xiàng)式系數(shù)定義如下:

則,用CST方法描述翼型上下表面坐標(biāo)最終可表示為:

式中:NU和NL分別表示翼型上下表面部件形函數(shù)的伯恩斯坦多項(xiàng)式的階次。采用不同階次的伯恩斯坦多項(xiàng)式作為部件形函數(shù),對(duì)對(duì)稱翼型(NACA0012)、彎度翼型(RAE2822)和超臨界翼型(NSC 2-0714)采用最小二乘擬合翼型曲線,研究結(jié)果表明用5階伯恩斯坦多項(xiàng)式已經(jīng)能很好滿足幾何外形擬合精度和氣動(dòng)計(jì)算精度。因此文中選取11個(gè)部件形函數(shù)系數(shù)作為翼型設(shè)計(jì)變量:

式中翼型設(shè)計(jì)變量值通過(guò)最小二乘擬合給定翼型得到。

2)機(jī)翼外形幾何參數(shù)的定義如圖1所示,機(jī)翼分為兩段描述,其中Croot為內(nèi)翼根弦長(zhǎng);Cmid為外翼根弦長(zhǎng);Ctip為梢弦長(zhǎng);χinner為內(nèi)翼前緣后掠角;χouter為外翼前緣后掠角;binner/2為內(nèi)翼 半 展 長(zhǎng);bouter/2 為 外 翼半展長(zhǎng);當(dāng)外翼有上反角時(shí),用Γouter定義外翼的上反角。

圖1 機(jī)翼外形參數(shù)化描述

1.2 機(jī)身外形參

機(jī)身外形通過(guò)機(jī)身截面和縱向輪廓線描述。機(jī)身截面的參數(shù)化方法有:超橢圓方法[8]和CST方法;機(jī)身頭部縱向輪廓采用指數(shù)曲線[3]描述。

圖2 超橢圓方法描述機(jī)身截面形狀

1)超橢圓方法描述機(jī)身截面坐標(biāo)的表達(dá)式為:

式中:(yc,zc)為質(zhì)心坐標(biāo);aU、aL分別為機(jī)身上表面和下表面水平半軸長(zhǎng);bU、bL分別為機(jī)身上表面和下表面垂直半軸長(zhǎng);mU、mL、nU、nL為控制機(jī)身截面形狀的超橢圓指數(shù)。不同超橢圓指數(shù)的機(jī)身截面形狀如圖2所示。

2)CST方法描述機(jī)身截面的上下表面。假定機(jī)身截面上下對(duì)稱,機(jī)身截面為橢圓,如圖3(a)所示。機(jī)身截面上表面的橢圓方程描述為:

式中:η=z/W 為機(jī)身截面無(wú)因次z坐標(biāo);ζ=y(tǒng)/H為機(jī)身截面無(wú)因次y坐標(biāo)。機(jī)身截面上表面橢圓外形的形函數(shù)為:

對(duì)于橢圓截面,截面上表面的形函數(shù)為Su(η)=2;截面下表面的形函數(shù)為Sl(η) =-2。類函數(shù)的指數(shù)NC1=NC2=0.5。通過(guò)改變類函數(shù)的指數(shù)NC1和NC2生成不同的機(jī)身截面形狀如圖4所示。

圖3 CST法描述機(jī)身截面形狀

圖4 CST方法描述機(jī)身截面上下形狀

另一種描述機(jī)身截面形狀的方式如圖3(b)所示。機(jī)身截面形狀是左右對(duì)稱的,則描述幾何外形的方程為:

式中:ζ=y(tǒng)/H為機(jī)身截面無(wú)因次y坐標(biāo);η=2z/W為機(jī)身截面無(wú)因次z坐標(biāo)。同理,通過(guò)改變類函數(shù)的指數(shù),生成的機(jī)身截面形狀如圖5所示。

圖5 CST方法描述機(jī)身截面左右形狀

3)指數(shù)曲線描述的亞音速無(wú)人機(jī)鈍頭外形為:

不同指數(shù)m的鈍頭外形如圖6所示。

圖6 機(jī)身鈍頭外形指數(shù)曲線

超音速無(wú)人機(jī)機(jī)身頭錐外形采用如下的指數(shù)曲線形式,其中n為指數(shù)。不同指數(shù)的錐頭外形如圖7所示。

圖7 機(jī)身錐頭外形指數(shù)曲線

2 CATIA二次開發(fā)

通過(guò)程序訪問(wèn)CATIA對(duì)象有很多種不同的方法。對(duì)于其他程序或腳本來(lái)說(shuō),CATIA只是一個(gè)OLE(object linking and embedding)自動(dòng)化對(duì)象服務(wù)器。任何能訪問(wèn)COM對(duì)象的程序或腳本都能訪問(wèn)CATIA的對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行操作。CATIA接口通過(guò)兩種方式與外部程序通信:進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序方式[9]。文中選用VB程序進(jìn)程外訪問(wèn)的方式對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)。所謂進(jìn)程外訪問(wèn)是指將CATIA作為一個(gè)OLE自動(dòng)化服務(wù)器,外部程序通過(guò)COM接口來(lái)訪問(wèn)CATIA內(nèi)部的對(duì)象。

圖8 用戶訪問(wèn)CATIA的方式 圖9 CATIA二次開發(fā)流程圖

CATIA二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的流程圖如圖9所示。首先將描述幾何外形的參數(shù)存放在外部數(shù)據(jù)文件(Input.dat)中。VB程序解析文件中的參數(shù)并賦值給程序中的變量,VB程序用CreateObject方法啟動(dòng)CATIA后,再用GetObject方法連接到CATIA。VB根據(jù)描述的幾何外形調(diào)用CATIA的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化幾何模型的生成,生成的幾何模型能導(dǎo)出和保存為其他學(xué)科分析的幾何外形數(shù)據(jù)。當(dāng)幾何外形參數(shù)改變時(shí),VB程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型的更新和導(dǎo)出,整個(gè)建模流程是自動(dòng)的。

3 算例驗(yàn)證

3.1 機(jī)身頭部外形參數(shù)化

文中采用CST法和指數(shù)曲線結(jié)合的方式進(jìn)行機(jī)身頭部外形的參數(shù)化描述,假定機(jī)身頭部截面上下對(duì)稱,機(jī)身頭部剖面形狀為圓形,則描述機(jī)身鈍頭外形的參數(shù)如表1所示。利用文中建立的參數(shù)化設(shè)計(jì)程序,由CATIA生成的不同指數(shù)m下的機(jī)身鈍頭參數(shù)化外形如圖10所示。

表1 機(jī)身頭部外形參數(shù)描述

圖10 機(jī)身鈍頭外形示意圖

同理,由參數(shù)化建模程序生成的不同指數(shù)n下的機(jī)身錐頭參數(shù)化外形如圖11所示。

圖11 機(jī)身錐頭外形示意圖

3.2 無(wú)人機(jī)全機(jī)參數(shù)化

表2 無(wú)人機(jī)機(jī)身外形參數(shù)描述

文中無(wú)人機(jī)機(jī)身分為頭部和中部,機(jī)身中部截面為矩形,機(jī)身外形參數(shù)如表2所示。表3給出了無(wú)人機(jī)機(jī)翼的外形參數(shù),機(jī)翼分為兩段,翼型均為Clark-Y。表4給出了無(wú)人機(jī)平尾和垂尾的外形參數(shù),平尾和垂尾翼型均為平板,厚度為20mm。則由文中的參數(shù)化建模程序生成的無(wú)人機(jī)的幾何外形如圖12所示。

圖12 無(wú)人機(jī)外形示意圖

表3 無(wú)人機(jī)機(jī)翼外形參數(shù)描述

表4 無(wú)人機(jī)平尾和垂尾外形參數(shù)描述

4 結(jié)論

文中研究了無(wú)人機(jī)幾何外形參數(shù)化方法,著重研究了CST方法在無(wú)人機(jī)幾何外形參數(shù)化描述中的應(yīng)用。借助CATIA強(qiáng)大的曲面生成功能,采用VB程序進(jìn)程外訪問(wèn)的方式對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā),建立了無(wú)人機(jī)幾何外形參數(shù)化模型,提高了設(shè)計(jì)效率,并為后續(xù)的CFD和FEA學(xué)科分析提供了統(tǒng)一的幾何外形。

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[2]湛嵐,余雄慶,沈瓊.大型客機(jī)概念設(shè)計(jì)的外形參數(shù)化CAD模型[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009,30(16):3887-3890.

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[9]胡挺,吳立軍.CATIA二次開發(fā)基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

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