張 華 羅 奔

一種提高材料利用率的尾翼裁片方法

張 華 羅 奔

本文針對(duì)系留氣球尾翼裁片問題，敘述了傳統(tǒng)的分片及展開方法，同時(shí)提出了一種新的分片設(shè)計(jì)方法，并利用CATIA軟件進(jìn)行展開。用實(shí)例對(duì)兩種裁片方法進(jìn)行對(duì)比，證明新方法極大地提高了材料利用率。

在保證系留氣球性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)制造的經(jīng)濟(jì)性逐漸成為各研制廠家關(guān)注的重點(diǎn)。進(jìn)行合理、良好的裁片設(shè)計(jì)，提高系留氣球生產(chǎn)制造時(shí)的材料利用率是提高其經(jīng)濟(jì)性最重要的因素之一。系留氣球裁片主要包括氣囊裁片、副氣囊裁片、整流罩裁片及尾翼裁片等。按照傳統(tǒng)的裁片方法，系留氣球生產(chǎn)制造時(shí)的材料利用率僅為60%～75%。最新的研究表明，對(duì)氣囊、副氣囊、整流罩進(jìn)行合理的裁片設(shè)計(jì)，良好的裁片排列及允許橫截面某處進(jìn)行截?cái)嗪?，材料利用率可達(dá)90%以上。由于尾翼的曲面造型比較復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的裁片設(shè)計(jì)，難以提高材料利用率。

本文針對(duì)尾翼曲面造型特點(diǎn)，對(duì)尾翼主體蒙進(jìn)行分析，針對(duì)其前緣和后緣曲率較大，中間部分曲率較小的特點(diǎn)，提出一種新的裁片設(shè)計(jì)方法，大幅度地提高了材料利用率。

傳統(tǒng)的分片及展開方法

在傳統(tǒng)的尾翼分片設(shè)計(jì)過程中，按等百分比弦截面進(jìn)行分開，同時(shí)保證各片最大寬度不大于材料的可用寬度（一般為1.40m）及尾翼前緣和后緣所在的裁片是由左右相等的兩部分組成的一個(gè)整片。如圖1所示。

尾翼蒙皮各弦平面的截面外形具有相似性，因此可以參考圓錐和圓臺(tái)展開的設(shè)計(jì)思想。圓錐由母線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，其在展開時(shí)的兩個(gè)參數(shù)分別是展開時(shí)的半徑及其形成的扇形的圓心角。圓錐展開的平面形狀是以其側(cè)面母線長為半徑、底面周長為弧長的扇形。圓臺(tái)展開前先將其母線反向延長，補(bǔ)足頂部的圓錐，然后分別對(duì)兩個(gè)圓錐進(jìn)行展開設(shè)計(jì)，兩個(gè)扇形之差即為圓臺(tái)的展開外形。

由于尾翼蒙皮沿中心對(duì)稱面對(duì)稱，裁片設(shè)計(jì)時(shí)只需選取其中的半片即可。參考圓錐與圓臺(tái)的展開方法，借助于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，尾翼蒙皮各片的展開過程如下：

（1） 延長前緣線和后緣線作出交點(diǎn)，以其為基準(zhǔn)點(diǎn)（編號(hào)為A）；在尾翼上作出設(shè)計(jì)的弦截面，取其與尾翼外皮的交線，將交線與梢部平面和根部平面的交點(diǎn)分別作出并編號(hào)；

（2） 分別連接A點(diǎn)與上述各交點(diǎn)，并分別測(cè)出上述各線段的長度d（n）、D（n）；

（3） 以超出上述最大線段長度的數(shù)值L為基準(zhǔn)，沿著各線段方向分別畫出長度為L的新線段，并用樣條曲線將各線段的端點(diǎn)連接起來，測(cè)出每?jī)牲c(diǎn)之間的弧線長度r（n）；

（4） 作尾翼與氣囊交線和各等百分比截面的交點(diǎn)，作A點(diǎn)與各交點(diǎn)的線段，測(cè)出其長度p（n）。

通過上述步驟即完成了作展開圖的準(zhǔn)備工作。在展開圖中作以L為半徑的圓，以各段r（n）值計(jì)算的圓心角做出對(duì)應(yīng)的各百分比弦線的位置，按照各段對(duì)應(yīng)的d（n）、D（n）、p（n）值在各段中分別做出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，順接上述各對(duì)應(yīng)曲線段即可得出半片尾翼的展開圖。

新的分片及展開方法

沿弦平面方向，尾翼僅在前緣和后緣部分有較大的弧度，而中間部分過渡比較平緩，因此可以把尾翼前緣、后緣與中間部分按不同方式進(jìn)行分片。

圖1 傳統(tǒng)的裁片分片示意圖

圖2 尾翼展開方法

圖3 尾翼展開示意圖

圖4 傳統(tǒng)裁片展開示意圖

圖5 新方法裁片分片示意圖

圖6 新方法裁片展開示意圖

圖7 前緣截取多塊裁片示意圖

圖8 尾翼裁片排列示意圖

圖9 尾翼裁片排列示意圖2

在尾翼梢弦前緣取一點(diǎn)M，在根弦前緣取一點(diǎn)N，作過點(diǎn)M與N的弦截面a，用a即可截出尾翼的前緣，同理可以截出尾翼的后緣。從尾翼梢部平面開始每隔一定距離L作一個(gè)平面，直至最后一個(gè)平面已處于尾翼根肋的下緣。假設(shè)所作的平面共有X個(gè)，用此X個(gè)平面即可截出尾翼中間部分。如圖5所示。

利用CATIA軟件創(chuàng)成式曲面模塊的曲面展開功能，將尾翼前緣、后翼及中間部分分片展開。反復(fù)調(diào)整M、N、L及X的值，直至所有展開的裁片形狀類似圖6所示，即所有裁片的兩個(gè)長邊近似平行且距離接近1.40m。

如果尾翼前緣或者后緣有較大弧度的部分較寬，僅在前緣和后緣截取一塊裁片無法把裁片展開成圖6所示的形狀時(shí)。可類似于作M與N點(diǎn)的辦法，作M1與N1點(diǎn)，甚至M2與N2點(diǎn)，M3與N3點(diǎn)……采取在前緣或者后緣截取多塊裁片的辦法，直至所有展開的裁片類似圖6所示。

實(shí)例分析

以某型號(hào)系留氣球尾翼為例，進(jìn)行說明如下

表1 系留氣球尾翼參數(shù)

用傳統(tǒng)的分片方法，按等百分比弦截面進(jìn)行分開，并采用類似展開圓錐的方法將其展開，然后進(jìn)行裁片排列如圖8所示。

由圖8可以看出，由于裁片形狀不規(guī)則，兩頭大小不一，進(jìn)行裁片排列時(shí)，材料上有很大的縫隙難以利用到，這部分材料被白白浪費(fèi)。經(jīng)過對(duì)此種分片方法的尾翼裁片進(jìn)行細(xì)致的排列后，發(fā)現(xiàn)材料利用率為69%。

采用新的分片方法，用弦截面在尾翼前緣截取三個(gè)分片，在尾翼后緣截取一個(gè)分片，其余分片用弦平面截開，再進(jìn)行排片，如圖9所示。

由圖9可以看出，尾翼裁片的排列十分緊密，材料上被浪費(fèi)掉的縫隙十分狹小。經(jīng)過對(duì)此種分片方法的尾翼裁片進(jìn)行細(xì)致的排列后，發(fā)現(xiàn)材料利用率為95%。大大提高了材料的利用率。

結(jié)語

通過合理的分片，然后借助CATIA軟件進(jìn)行展開，可以得出外形比較規(guī)則的裁片，這種裁片大大提高了材料利用率。此種裁片方法通過結(jié)構(gòu)、工藝等專業(yè)進(jìn)一步論證后，將可運(yùn)用到生產(chǎn)領(lǐng)域。由于這種方法大大提高了尾翼裁片對(duì)材料的利用率，它將具有廣泛的應(yīng)用前景。

張 華 羅 奔

中國特種飛行器研究所

張華，男，工程師，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)與制造；羅奔，男，碩士，畢業(yè)于烏克蘭國立航空大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)，研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.013