2022年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、精品学习资源其次十八届 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，该软件能够快速地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： 直升机外

2、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轻重

3、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；在

4、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CAD

5、 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 参数化欢迎下载精品学习资源建模方法；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：， 类别函数的表达式为2外形函数的

6、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其中欢迎下载精品学习资源所以，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

7、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

8、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 参数化方法所拟合欢迎下载精品学习资源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

9、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，中段机身及尾梁三部分；只要确定机身的纵向轮廓线及横截面外形就可以通过放样的方法得到机身

10、外形；纵向轮廓线：对于前机身，将纵向轮廓线分为上下两部分，如图5 所示；下部分用一段曲线表示即可；上部分的纵向轮廓线可以分为两段曲线来描述，对每一段曲线采纳 CST 方法生成；对于每一段曲线的高度，可用翼型曲线的开口高度表示，通过掌握指数 N1 及 N2 可以掌握曲线首尾两端的切线方向，通过几个特点点确定外形函数，特点点的个数打算了伯恩斯坦多项式的阶数，从而得到曲线的数学描述，完成前机身纵向轮廓线的数学建模；中段机身主要是等截面外形；尾梁的纵向轮廓线建模类似于前机身；横截面外形：某该典型直升机前段机身的横截面外形如图6 所示，由于上半部分及下半部分不一定对称，故对上下两部分分别用CST 方法得

11、到曲线，然后对两部分曲线进行拼接处理即可；对于中段及尾梁的横截面外形，也只需转变N1 及 N2 的值既可以得到，外形函数用以掌握横截面外形的长宽比；对于直升机发动机舱及整流罩，其建模方法类似于前段机身；图 5 某典型直升机前机身纵向轮廓线图 6 某典型直升机前段机身的横截面外形2.2 垂尾及平尾外形参数化建模垂尾及平尾的外形主要通过剖面翼型及平面外形来确定，通过放样即可得到垂尾及平尾外形模欢迎下载精品学习资源型；翼型：由前所述的基于CST 的翼型参数化建模方法建立翼型模型；对于一般的翼型几何外形表示及优化， 4 到 6 阶多项式就可以达到中意的精度要求，对于精度要求较高的应用，可以使用6到 9

12、 阶多项式定义翼型外形函数11 ；平面外形：由于直升机平尾及垂尾的平面外形较为简洁，确定首尾两翼型的弦长及扭转角即可；2.3 直升机机身外形模型对于各个部件建立好外形模型后，定义各个部件的位置参数，在CATIA 中定义 X 轴沿直升机展向， Y 轴为从机头指向机尾方向，Z 轴为直升机高度方向；依据所定义的位置参数，定义各部件的位置，即可得到直升机机身外形模型；3 软件开发上节通过 CST 参数化建模方法，已经建立了直升机机身外形的数学模型，本节通过运用VB 对CATIA 进行二次开发，自动生成直升机机身外形的三维模型；CA TIA 供应的二次开发的借口包括自动化编程V5 Automation

13、）和开放的基于构件的应用编程接口 假如 CATIA 程序已经启动，将CATIA 程序赋给变量 CATIAIf Err.Number 0 ThenSet CA TIA = CreateObjectCA TIA.application假如 CATIA 程序未启动，就启动CA TIA 程序并赋给变量 CATIACA TIA.Visible = True End IfOn Error GoTo 0图 7 为利用本软件生成的直升机机身外形三维模型；如需修改三维外形模型，只需在用户界面修改所输入的相关参数即可；能大大缩短三维外形建模的时间，同时为讨论机身气动布局优化供应了参数化模型；欢迎下载精品学习资源图

14、 7 利用 CST方法生成的某典型直升机机身外形三维模型4 终止语本文运用 CST 参数化建模方法及 CATIA 二次开发技术，开发了直升机机身外形参数化CAD 模型快速生成软件；并通过样例验证了基于CATIA 二次开发的直升机机身外形参数化建模的可行性；只需输入相关参数，就可以实现直升机机身外形的自动生成，为直升机机身外形的优化设计供应基础；参考文献1 徐国华，李春华 . 直升机机身对旋翼气动干扰的运算J，南京航空航天高校学报，2003， 353）243-247.2 王振国，陈小前，罗文彩等.飞行器多学科设计优化理论与应用讨论M ，北京：国防工业出版社，2006.3 卢新来，刘虎，武哲.直升

15、机概念设计中的部件参数化J，北京航空航天高校学报，2006，32:540-544 5Rodriguezl D L, P.A rapid geometry engine for preliminary aircraft designR.AIAA,2006.6 Brenda M.Kulfan, John E. Bussoletti. Fundamental Parametric Geometry Representations for Aircraft Component ShapesR.AIAA-2006-6948,20067 Brenda M.Kulfan. A Universal Param

16、etric Geometry Representation MethodCSTR. AIAA-2007-62, 20078 Brenda M.Kulfan. Universal Parametric Geometry Representation MethodJ.Journal of Aircraft,2021,451:142-1589 胡添元，余雄庆 . 基于 CATIA 二次开发的飞翼外形参数化建模J ，飞机设计， 2007，276:10-1310 湛岚，余雄庆 . 大型客机外形参数化与机翼气动结构多学科优化D ，南京：南京航空航天高校硕士学位论文，202111 关晓辉，李占科，宋笔锋.C

17、ST 气动外形参数化方法讨论J. 航空学报， 2021， 32.Parametric Modeling of Helicopter Fuselage Configuration Using Application Programming Interface in CATIASu Taoyong Lu YangScience and Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory, NanjingUniversity of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, ChinaAbstract:

18、To research the aerodynamic interactions of helicopter fuselage on its rotor and optimize the helicopter fuselage configuration, a parametric mathematical model for helicopter is proposed by using class function and shape function transformation method, which can use relative few parameters to descr

19、ibe the helicopter fuselage configuration. The softwarewhich can generate the CAD model of the helicopter fuselage configuration was developed using API technique of CATIA. The test example shows that the softwarecan欢迎下载精品学习资源generate the helicopter fuselage configurationand achieve the parametric design of the helicopter fuselage configuration.Key word: helicopter configuration ； CAD ； parametric modeling ； CATIA ； secondary development欢迎下载