蔡 敏，肖任勤，胡善剛，鮑永定

(湖北航天技術研究院總體設計所，湖北武漢 430040)

飛行器艙段結構快速設計方法研究

蔡 敏，肖任勤，胡善剛，鮑永定

(湖北航天技術研究院總體設計所，湖北武漢 430040)

分析了飛行器艙段結構傳統(tǒng)設計方法中存在反復修改、重復性工作量大、設計效率低等問題，研究了產品快速設計方法，提出了一種基于CAD/CAE集成的艙段結構快速設計方法，并運用Visual C++開發(fā)語言，結合數據庫、人機交互等技術，開發(fā)了飛行器艙段結構快速設計平臺，實現了飛行器艙段結構的快速設計，縮短了產品開發(fā)周期。

飛行器結構;快速設計;CAD/CAE集成

在短期內設計出滿足客戶個性化要求、質量可靠、性能優(yōu)良的產品，是企業(yè)在激烈的市場競爭中占據有利地位的關鍵。快速設計技術是當前市場在產品多樣化、系列化、需求多變的形勢下提出并發(fā)展起來的?？焖僭O計，又稱快速響應設計，是一種以縮短產品開發(fā)周期，提高產品設計質量為目的的現代設計方法［1］。

飛行器的艙段結構是飛行器系統(tǒng)的重要組成部分，它主要由各個艙段、各種升力面和各種必需的機構以及外部零件組成。本文以飛行器的艙段結構為例，研究快速設計方法在飛行器結構設計上的應用。飛行器的艙段有天線罩、儀器艙、有效載荷艙、動力艙、舵機艙等，各艙段有序地連接成一個整體，外部產生氣動力，內部構成一個完整的承力系統(tǒng)，承受并傳遞飛行器在運輸、停放、儲存和飛行工況下的載荷，保證飛行器完成設計任務［2］。

1 飛行器艙段結構快速設計

1.1 飛行器艙段結構傳統(tǒng)設計方法

飛行器典型艙段的骨架結構一般包括前端框、后端框、環(huán)向筋、縱向筋、蒙皮等，飛行器艙段結構在設計過程中尤其是方案論證階段一般都需要對上述各個結構形式、參數等進行調整或者修改。傳統(tǒng)的設計方法流程如圖1所示，設計人員在三維造型軟件中一步一步手動繪制模型，再由專業(yè)的結構分析人員將模型導入分析軟件中進行計算，將分析得到的結果反饋給設計人員，設計人員根據結果對結構參數進行修改、調整，重復上述步驟，直到得到符合設計要求的產品為止。這種方式的重復性工作量大，效率低，模型修改、計算工作占了整個設計工作的大部分時間，導致開發(fā)創(chuàng)新時間不足，產品開發(fā)周期長。

圖1 傳統(tǒng)的設計方法流程

1.2 基于CAD/CAE集成的快速設計方法

CAD與CAE是現代設計方法中的兩個重要組成部分:CAD即計算機輔助設計，利用計算機強大計算能力、數據處理能力及繪圖建模功能，通過人機交互實現產品設計。CAE即計算機輔助工程，利用計算機輔助求解復雜工程中的結構力學性能，以及優(yōu)化結構性能等。CAD/CAE集成可以避免設計過程中的重復性工作，節(jié)約時間，提高工作效率。目前實現CAD/CAE集成的方式主要可以分成3類:(1)在CAD系統(tǒng)中實現CAD/CAE的集成。(2)在CAE系統(tǒng)中實現CAD/CAE的集成。(3)在第三方系統(tǒng)中通過數據交換實現CAD/CAE集成［3］。

本文研究的快速設計方法是在第三方系統(tǒng)中集成CAD與CAE系統(tǒng)，運用VC 語言構建快速設計系統(tǒng)。采用CATIA軟件和ANSYS軟件構建了艙段結構的CAD、CAE模型。建模過程中提取設計時需要修改、調整的尺寸參數、結構形式等，作為設計變量，并將兩種模型的參數保持完全一致，通過后臺的數據庫統(tǒng)一管理。通過這樣的方式，在快速設計系統(tǒng)中修改、調整設計參數時，即可完成對數據庫的修改，進而同時驅動生成相應的艙段CATIA三維模型及ANSYS分析模型，實現了CAD與CAE模型的無縫集成?；贑AD/CAE集成的快速設計方法原理如圖2所示［4］。

圖2 基于CAD/CAE集成的快速設計方法原理圖

1.3 飛行器艙段結構快速設計系統(tǒng)

本文研究的飛行器艙段結構快速設計系統(tǒng)運用了基于CAD/CAE集成的快速設計方法，固化了飛行器艙段結構設計的流程，并融入了設計知識和工程經驗?？焖僭O計系統(tǒng)流程如圖3所示。設計人員根據設計條件在友好的人機交互界面中進行選擇結構形式、輸入設計參數等操作，就可以快速構建出艙段的CAD模型和CAE模型，并在CAE平臺上根據設計要求輸入邊界條件、外界載荷等，對艙段進行分析并得到相關結果。若對分析結果滿意，則輸出設計結果;若對分析結果不滿意，則返回，再根據結果對參數進行修改，直至滿意為止。

圖3 快速設計系統(tǒng)流程圖

2 飛行器艙段結構快速設計平臺構建

本文在研究了快速設計方法及CAD/CAE集成技術的基礎上，結合飛行器艙段結構設計流程及經驗，構建了飛行器艙段結構快速設計平臺。本文構建的平臺利用Visual C++開發(fā)環(huán)境，綜合C++編程技術、數據庫技術、人機交互技術等，以CATIA和ANSYS軟件平臺為基礎，融入了飛行器艙段結構設計的一般流程，實現飛行器艙段三維設計模型和分析模型的無縫集成，并最終實現飛行器艙段結構的快速設計。設計人員可以在本文的平臺上快速完成飛行器艙段三維模型的建立、分析及修改，改變了傳統(tǒng)的一步一步手動繪制三維模型、分析協作的設計模式，極大地節(jié)約建模、修改的時間，提高設計效率，縮短產品開發(fā)周期。

2.1 平臺的產品結構設計流程

本文構建的飛行器艙段結構快速設計流程如圖4所示。啟動飛行器艙段結構快速設計平臺后，平臺主要進行以下幾個步驟:(1)設計人員根據艙段設計要求及經驗，在平臺的交互式界面的引導下輸入設計參數，包括“艙段直徑”、“艙段長度”、“端框厚度”、“蒙皮厚度”、“環(huán)向筋個數”等。(2)后臺程序會將這些參數寫入已經建立好的數據庫，數據庫會通過接口程序分別修改CATIA軟件提供的模型參數表和ANSYS軟件提供的二次開發(fā)工具APDL語言。(3)參數表和APDL語言會分別驅動生成艙段相應的CATIA三維模型和ANSYS有限元分析模型。(4)分別在CATIA軟件和ANSYS軟件中對模型進行分析，主要包括質量質心計算、強度分析、模態(tài)分析等。(5)判斷模型分析結果是否滿足設計要求，如果滿足，則輸出產品文件，包括艙段模型、圖紙、結構分析報告等;如果不滿足，則返回，再修改設計參數，直至得到滿意產品為止。

圖4 飛行器艙段結構快速設計流程

2.2 平臺的關鍵技術

2.2.1 參數化設計

參數化設計(Parametric Design)，又稱尺寸驅動設計，其核心思想是把產品的部分尺寸、結構變成變量參數或函數，通過改變參數或函數，可以得到不同的產品設計方案。參數化技術可以節(jié)約大量的手工建模時間，是實現先進優(yōu)化過程的關鍵技術之一，也是實現快速設計的關鍵技術之一。參數化建模技術提出相對較早，并已得到了廣泛的應用，現有主流的CAD、CAE軟件都在一定程度上支持參數化建模。本文主要研究了CATIA及ANSYS的參數化建模技術［5］。

CATIA軟件在建模過程中，可以設置變量參數，并與指定的結構尺寸相關聯，如圖5所示為本文建立的飛行器艙段參數化三維模型。CATIA軟件具有提供模型參數表格的功能，可以將艙段的三維模型參數集成在特定的Excel表格中。CATIA三維模型與其相應的表格之間是雙向驅動的，即在修改表格中的參數時，三維模型會自動更新，通過這樣的方式可以實現CATIA三維模型的參數化設計。

圖5 飛行器艙段參數化三維模型

ANSYS軟件自帶二次開發(fā)工具APDL語言，全稱ANSYS Parameter Design Language(ANSYS參數化設計語言)，可以建立參數化的三維CAE有限元分析模型。APDL語言具有定義參數、數組、函數、流程控制等功能，用戶可以通過APDL語言將ANSYS的命令組織起來，編寫出參數化的用戶程序，實現有限元分析的全過程。以下為編寫飛行器艙段參數化三維CAE模型的部分代碼:

2.2.2 可視化技術

MFC(Microsoft Foundation Classes)，即微軟基礎類庫，它包含了大量的Windows句柄封裝類和Windows的內建控件和組件封裝類，以減少程序開發(fā)人員的工作量。本文開發(fā)的平臺在Visual C++環(huán)境下，利用MFC技術，根據艙段設計的流程構建了合理人機交互界面，圖6所示為快速設計平臺人機交互界面之一。

圖6 快速設計平臺人機交互界面之一

2.3 平臺的應用實例

步驟1:啟動本文開發(fā)的設計平臺，進入主界面，選擇所要設計的艙段類型，即圓柱形艙段或圓錐形艙段，然后根據示意圖輸入相關的尺寸參數，包括艙段外徑、艙段長度、艙段壁厚……。

步驟2:輸入完整的參數后，點擊“參數檢測”，后臺程序會對輸入的參數進行邏輯判斷并給出提示，如果參數合理，點擊“確定建?！保绦驎⑾嚓P的參數保存至后臺數據庫，并驅動CATIA生成相應的三維模型。

步驟3:用戶對生成的三維模型確認后，可以點擊“結構分析”，程序會啟動ANSYS，并根據數據庫的參數生成艙段的有限元分析模型。圖7所示為在平臺下建立的某典型艙段的三維設計模型和有限元分析模型。

圖7 某典型艙段三維設計模型和有限元分析模型

步驟4:在ANSYS軟件里對艙段進行有限元分析，并根據結果回到主界面，再對設計參數進行調整，重復上述步驟1～3，直到得到合理的產品為止。

運用本文開發(fā)的平臺可以實現飛行器艙段結構的快速設計，設計人員可以通過進一步分析計算，最終可以得到符合設計要求的產品。

3 結束語

產品快速設計方法的提出和發(fā)展已經有很長時間，但是應用在飛行器艙段結構設計上較少。本文針對傳統(tǒng)的飛行器艙段結構設計過程中存在反復修改、重復性工作量大的問題，研究了基于CAD/CAE集成的快速設計方法，開發(fā)出了飛行器艙段快速設計平臺。實際應用表明，本方法和平臺有助于提高產品設計效率，縮短產品開發(fā)周期，具有一定的應用價值。本文提出的方法和開發(fā)的平臺目前只實現了三維設計模型和有限元分析模型的集成，還沒有涉及二維工程圖和設計報告等，后續(xù)將進一步深入研究。

［1］宗馳.復雜機械產品快速響應設計集成系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢大學，2010.

［2］曲之津.地(艦)空導彈彈體結構可靠性分析［J］.現代防御技術，2001(4):19－22.

［3］戴磊.基于CAD/CAE集成技術的開放式參數化結構形狀優(yōu)化設計平臺［D］.大連:大連理工大學，2005.

［4］李勇，吳慶鳴.基于KBE門式啟閉機的快速設計技術［J］.起重運輸機械，2008(6):32－34.

［5］祁加強，谷良賢.基于CATIA的導彈參數化模型驅動技術研究［J］.科學技術與工程，2007(5):10－11.

Research of Rapid Design on Aerocraft Cabin Structure

CAI Min，XIAO Renqin，HU Shangang，BAO Yongding(Designing Institute of Hubei Space Technology Academy，Hubei Wuhan，430040，China)

The aerocraft cabin structure design has large amount of repetitive work during the design process，Based on the rapid design technology，it presents a rapid design method of aerocraft cabin structure found on the integration of CAD and CAE.Using Visual C++language，database，human－computer interaction technology and so on，it develops a platform and realizes the rapid design of aerocraft cabin.This helps designers to improve efficiency，shorten the product development cycle.

Aerocraft Cabin;Rapid Design;CAD/CAE Integration

TH122

A

2095－509X(2013)05－0019－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.005

2012－12－28

蔡敏(1987—)，男，安徽蕪湖人，湖北航天技術研究院總體設計所工程師，碩士，主要從事機械產品結構設計工作。