李 如， 胡畢富， 席 平， 金詩涵

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

無人機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)及快速調(diào)整

李 如， 胡畢富， 席 平， 金詩涵

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

針對(duì)全復(fù)材無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了整機(jī)設(shè)計(jì)流程。研究了 CATIA參數(shù)化關(guān)聯(lián)方法和以“布局草圖”為核心的自頂向下的設(shè)計(jì)，提出了無人機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化裝配體關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)引起的模型變更，從而實(shí)現(xiàn)了模型快速修改和調(diào)整。以某無人機(jī)結(jié)構(gòu)為例，驗(yàn)證了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)建模方法的有效性。

無人機(jī)；參數(shù)化；關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)；布局草圖

無人機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，功能各異、技術(shù)先進(jìn)的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)。小型無人駕駛飛機(jī)由于其特有的低風(fēng)險(xiǎn)(無人)、低成本(較大飛機(jī)而言)特性及總體尺寸較小的特點(diǎn)，為一些新材料、新思想提供了設(shè)計(jì)平臺(tái)。因此，在大飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料不多的時(shí)候，小型無人機(jī)卻在結(jié)構(gòu)中大量使用復(fù)合材料，復(fù)合材料甚至成為了小型無人機(jī)的主體材料[1]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是無人機(jī)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，涉及工藝、強(qiáng)度、氣動(dòng)、航電等多個(gè)學(xué)科，需要協(xié)調(diào)各方關(guān)系，滿足諸多條件。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)多次迭代，反復(fù)協(xié)調(diào)和修改的過程。由于部件與部件之間、零件與零件之間存在大量的幾何尺寸關(guān)聯(lián)，當(dāng)一個(gè)零件尺寸或位置發(fā)生變化時(shí)，往往會(huì)引起與之關(guān)聯(lián)的零件發(fā)生變更。目前，全復(fù)合材料無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作還缺乏統(tǒng)一的建模規(guī)范，傳統(tǒng)的零件參數(shù)化建模方法，雖可以實(shí)現(xiàn)零件的快速建模和修改，但是零件與上游模型以及零件與裝配體之間缺乏關(guān)聯(lián)。所以在對(duì)復(fù)雜裝配體修改時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)由于關(guān)聯(lián)引起的模型變更，而往往需要重新構(gòu)建模型。采用參數(shù)化關(guān)聯(lián)方法是解決無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中快速建模和修改的有效方法。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是一種特殊形式的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其驅(qū)動(dòng)參數(shù)為上游設(shè)計(jì)的幾何特征(如點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等)，其表現(xiàn)為上游設(shè)計(jì)對(duì)下游設(shè)計(jì)的影響關(guān)系[2]。國內(nèi)有關(guān)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，更多集中于模具、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)。文獻(xiàn)[3]使用UG中WAVE技術(shù)，在凸凹模與沖壓件間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。在飛機(jī)研究領(lǐng)域，空客和波音在飛機(jī)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段都采用了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，其主要用于引用飛機(jī)結(jié)構(gòu)骨架模型的發(fā)布元素來創(chuàng)建下游模型以及左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而在飛機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)后期，則較少考慮使用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)[4]。

本文工作定位于無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)周期，旨在通過將 CATIA的參數(shù)化工具和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，快速構(gòu)建無人機(jī)結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)三維實(shí)體模型快速創(chuàng)建，確保模型在設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)能夠根據(jù)相應(yīng)變更進(jìn)行準(zhǔn)確快速的更新。

1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)分析

飛機(jī)機(jī)體部件主要包括機(jī)身、翼面和發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙等?？紤]到復(fù)合材料的成型工藝、無人機(jī)的安裝和運(yùn)輸?shù)确矫娴膯栴}，小型無人駕駛飛機(jī)通常采用分段生產(chǎn)再組裝的形式。因此，建模過程也是分部件進(jìn)行的。無人機(jī)氣動(dòng)布局類型比較多，本文將以翼身融合氣動(dòng)布局為例，進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 坐標(biāo)系

圖1為本文對(duì)于無人機(jī)外形描述采用的坐標(biāo)體系，飛機(jī)最前點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平面上，從機(jī)頭貫穿機(jī)身到機(jī)尾為X軸正方向；從左翼指向右翼為Y軸正方向；垂直于水平面，用右手法則定義出Z軸方向。全局坐標(biāo)系確定了整個(gè)飛機(jī)的布局，飛機(jī)整體沿X軸對(duì)稱分布，前、中、后機(jī)身的分割面可由X坐標(biāo)描述，機(jī)翼的分割位置可以由Y坐標(biāo)描述，地板的位置可以由Z坐標(biāo)描述。

圖1 整體坐標(biāo)系

1.2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)定義

小型無人機(jī)部件外形復(fù)雜、數(shù)量眾多，但通過分析發(fā)現(xiàn)，其可分為兩類：機(jī)身結(jié)構(gòu)和翼面結(jié)構(gòu)。對(duì)于常規(guī)布局的機(jī)身結(jié)構(gòu)，以梁式結(jié)構(gòu)為代表。主要組成部件包括縱向桁條、蒙皮、橫向框和地板。其中，桁條和隔框與蒙皮貼合。翼面結(jié)構(gòu)主要包括：機(jī)翼前后緣、機(jī)翼盒段、平尾盒段、升降舵、方向舵、副翼、襟翼等部件。機(jī)翼為飛機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)面，其結(jié)構(gòu)形式是翼面結(jié)構(gòu)的典型代表。機(jī)翼結(jié)構(gòu)有多種形式，主要有夾層板梁式結(jié)構(gòu)和夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)，由上下夾層蒙皮、前后梁和若干翼肋組成。

2 建模方法

2.1 CATIA參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

CATIA具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，同時(shí)提供了多種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，如基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。基于特征的參數(shù)化方法主要應(yīng)用于具體的幾何特征中，如孔、圓角、柱等幾何體的參數(shù)化設(shè)計(jì)中?；诓輬D的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是在草圖內(nèi)部以約束的形式達(dá)到對(duì)零件尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。

對(duì)于零件內(nèi)部的參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，主要采用系統(tǒng)參數(shù)和尺寸約束關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方法。應(yīng)用草圖設(shè)計(jì)模塊，完成零件的草圖繪制過程，對(duì)其中設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行約束設(shè)置，同時(shí)注意尺寸約束與幾何圖形的控制關(guān)系。例如，在中機(jī)身某加強(qiáng)框的建模過程時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)包括：框邊緣寬度、蒙皮厚度、框的厚度等。

對(duì)于部件(零件與零件間)的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，主要采用CATIA軟件特有的“選擇性粘貼”功能來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。CATIA可以將一個(gè)零件中的點(diǎn)、線、面、體等幾何信息復(fù)制，在另一個(gè)零件中進(jìn)行選擇性粘貼，實(shí)現(xiàn)新建零件與原零件的幾何形狀關(guān)聯(lián)，如果上游形狀信息變化，相關(guān)聯(lián)模型發(fā)生相應(yīng)更新。

圖2 選擇性粘貼

2.2 “布局草圖”為核心的自頂向下設(shè)計(jì)

自頂向下設(shè)計(jì)就是從產(chǎn)品的頂層開始，通過在裝配中建立零件來完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法[5]。自頂向下的設(shè)計(jì)方法是從產(chǎn)品的功能出發(fā)，最后再考慮實(shí)現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu)，其符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)人員的思維過程，而且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期就將產(chǎn)品的主要部件、關(guān)鍵約束等重要信息確定下來，同時(shí)分配給各子系統(tǒng)，避免了相互之間發(fā)生沖突，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

為了從總體上把握飛機(jī)各部件間的尺寸關(guān)系，可構(gòu)建一個(gè)盡可能描述設(shè)計(jì)要求的布局草圖，用其來充當(dāng)產(chǎn)品的頂層骨架。隨后生成的飛機(jī)骨架模型要在布局草圖的基礎(chǔ)上完成，每個(gè)零件都會(huì)和布局草圖產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。布局草圖可以反映所有零件的空間位置和基本尺寸，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，可以通過修改布局草圖中的相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)零件的修改，從而達(dá)到快速調(diào)整的目的。

構(gòu)建無人機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，上游會(huì)提供完整的氣動(dòng)外形，需要在外形的基礎(chǔ)上完成整個(gè)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，外形往往不會(huì)發(fā)生變化，因此，存貯氣動(dòng)外形的零件是整個(gè)設(shè)計(jì)的最頂層，整機(jī)結(jié)構(gòu)的自頂向下設(shè)計(jì)將從氣動(dòng)外形開始。

3 整機(jī)建模

無人機(jī)結(jié)構(gòu)建模主要包括兩層關(guān)聯(lián)關(guān)系：①零件內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括幾何體和氣動(dòng)外形的關(guān)聯(lián)、幾何體和幾何體之間的關(guān)聯(lián)。通過CATIA的參數(shù)化功能、草圖中的約束和“選擇性粘貼”功能來實(shí)現(xiàn)。②零件之間的關(guān)聯(lián)，通過零件之間的“選擇性粘貼”實(shí)現(xiàn)。建模過程中存在明顯的上下游關(guān)系，每一步都在上游的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并成為下游模型的基礎(chǔ)。最后將詳細(xì)設(shè)計(jì)后的零件組裝成飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配體的快速修改。

整機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 整機(jī)設(shè)計(jì)流程(“1號(hào)長桁詳細(xì)初步模型”改為“1號(hào)長桁詳細(xì)模型”)

3.1 分割總體氣動(dòng)外形

在氣動(dòng)外形的水平布局草圖中，用一條直線來描述分割面。繪制前、中、后機(jī)身和外翼的分割線，分割線通過尺寸進(jìn)行約束，主要參數(shù)包括：①前機(jī)身長度；②中機(jī)身長度；③中機(jī)身寬度等。參考草圖中的直線，生成基準(zhǔn)面，將整體外形進(jìn)行分割。如果修改前機(jī)身和中機(jī)身的分割位置，只需在草圖中調(diào)節(jié)一條直線的約束即可。過程如圖4所示。

圖4 總體氣動(dòng)外形分割過程

3.2 確定各部件基準(zhǔn)面并構(gòu)建骨架模型

骨架模型表征了結(jié)構(gòu)的功能要求及最初的設(shè)計(jì)意圖，其定義了整個(gè)部件的總體步驟、零部件的基本空間定位及各零件之間的配合關(guān)系。骨架模型不包含零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，其是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是關(guān)聯(lián)關(guān)系傳播的媒介和載體[6]，因此，就要在各部件氣動(dòng)外形的基礎(chǔ)上構(gòu)建各自部件的骨架模型。本文中骨架模型是指所有飛機(jī)零件的初步實(shí)體模型。

構(gòu)建骨架模型包括以下3步：

(1) 確定基準(zhǔn)面。以中機(jī)身為例，在中機(jī)身的水平面和垂直面內(nèi)分別做草圖，如圖5所示。根據(jù)草圖中的直線生成站位面，這樣只需修改草圖中直線的位置就可改變站位面的位置，方便后期修改。主要參數(shù)包括：隔框的X方向坐標(biāo)、翼肋的Y方向坐標(biāo)、桁條與X軸的角度等。

圖5 中機(jī)身布局草圖

(2) 確定主要構(gòu)件的描述參數(shù)。對(duì)零件的參數(shù)化描述可以實(shí)現(xiàn)模型的快速創(chuàng)建和修改。分析模型結(jié)構(gòu)，確定合理的描述參數(shù)是建立參數(shù)模型的重點(diǎn)，合理的參數(shù)可以使得模型修改更加快捷。

無人機(jī)主要構(gòu)件的參數(shù)描述：

①蒙皮。蒙皮的作用是維持飛機(jī)外形，使之具有很好的氣動(dòng)特性。中小型無人機(jī)，蒙皮材料主要有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)或蜂窩芯材支持的薄層板結(jié)構(gòu)。根據(jù)蒙皮的特點(diǎn)可將參數(shù)確定為：蒙皮編號(hào)、蒙皮厚度、蒙皮材料。

②隔框。隔框是飛機(jī)縱向位置排放的橫向構(gòu)件，包括普通框和加強(qiáng)框，無人機(jī)中多采用層板或復(fù)合材料夾層板。構(gòu)建框需要考慮的參數(shù)包括：材料類型、厚度、隔框編號(hào)、邊緣寬度等。

③桁條。桁條的主要作用將蒙皮上的氣動(dòng)載荷傳遞給主承力結(jié)構(gòu)。無人機(jī)中桁條多采用航空層板材料。構(gòu)建桁條的主要參數(shù)包括：材料類型、材料厚度、桁條編號(hào)、桁條寬度等。

④地板。地板主要用來放置設(shè)備。主要參數(shù)包括：地板編號(hào)、材料、地板厚度等。

⑤翼肋。翼肋分為普通翼肋和加強(qiáng)翼肋兩種。普通翼肋主要起保持蒙皮形狀以及將載荷傳遞給翼梁的作用，主要由航空層板構(gòu)成，模型厚度小。加強(qiáng)翼肋可承受集中載荷，多由碳板構(gòu)成，模型厚度較大。主要參數(shù)為：材料類型、材料厚度、翼肋編號(hào)、蒙皮厚度等。

(3) 建立骨架模型。確定各站位面后，插入幾何體并對(duì)其命名，每個(gè)幾何體在相應(yīng)基準(zhǔn)面的基礎(chǔ)上生成三維實(shí)體模型，每個(gè)幾何體就是飛機(jī)三維實(shí)體零件的上游模型。以中機(jī)身某隔框的建模過程為例。如圖6所示，包括：①在基準(zhǔn)面上構(gòu)建草圖，根據(jù)機(jī)身外形和蒙皮厚度獲取外部輪廓曲線，并有

描述參數(shù)進(jìn)行約束；②將草圖根據(jù)層板厚度參數(shù)進(jìn)行拉伸，形成環(huán)形框?qū)嶓w模型；③對(duì)模型賦予材料屬性，將材料屬性與整機(jī)材料文件關(guān)聯(lián)，方便對(duì)全局材料的修改。完成對(duì)中機(jī)身所有零件上游幾何體的創(chuàng)建，圖7為機(jī)身骨架模型。

圖6 中機(jī)身某隔框建模過程

圖7 中機(jī)身骨架模型

3.3 創(chuàng)建幾何體之間的關(guān)聯(lián)

小型無人機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件多采用非金屬材料，如航空層板或復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，各零件之間的連接多以榫槽插接為主。為了后期快速修改，需要將榫槽和榫頭進(jìn)行關(guān)聯(lián)，榫槽的輪廓由榫頭投影得到，并增加相應(yīng)的裝配縫隙。當(dāng)榫頭位置和大小發(fā)生變化時(shí)，榫槽發(fā)生相應(yīng)變更。圖8為中機(jī)身部分幾何體連接方式的關(guān)聯(lián)。

圖8 幾何體連接方式

3.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)并完成組裝

將初步模型中的幾何體通過“與原文檔相關(guān)聯(lián)粘貼”

，形成每個(gè)獨(dú)立零件，在零件中完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，如走線孔，減重孔等的設(shè)計(jì)，圖9為某框的骨架模型和詳細(xì)模型。

將所有零件詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，組合成裝配體，由于每個(gè)零件都和骨架模型關(guān)聯(lián)，而骨架模型和最初的總體氣動(dòng)外形關(guān)聯(lián)，因此，所有零件使用同一個(gè)坐標(biāo)系。裝配時(shí)不需要進(jìn)行約束，零件在坐標(biāo)系中的位置就是裝配體中的位置。中機(jī)身裝配完成后如圖10所示。

圖9 隔框骨架模型和詳細(xì)模型

圖10 中機(jī)身裝配模型

4 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)前面提出的建模方法，在CATIA環(huán)境中，完成對(duì)某型號(hào)無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)的建模，如圖11所示。

圖11 整機(jī)詳細(xì)結(jié)構(gòu)模型

以前機(jī)身結(jié)構(gòu)修改為例，如圖 12所示，當(dāng)隔框位置發(fā)生時(shí)，只需修改骨架模型草圖中相應(yīng)直線的位置即可。

圖12 結(jié)構(gòu)快速調(diào)整

5 結(jié) 論

(1) 針對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的三維模型大量重建的問題，研究了 CATIA參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)和以“布局草圖”為核心的自頂向下的設(shè)計(jì)，提出C ATIA參數(shù)化技術(shù)和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)相結(jié)合的解決方法，基于對(duì)構(gòu)件的參數(shù)化描述與參數(shù)化建模，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

(2) 通過分析無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和吸取實(shí)際的生產(chǎn)、制造經(jīng)驗(yàn)，確定無人機(jī)結(jié)構(gòu)中基本的關(guān)聯(lián)關(guān)系和主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。描述了無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)建模的具體關(guān)聯(lián)過程。

(3) 通過創(chuàng)建翼身融合無人機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)結(jié)構(gòu)的快速建模和調(diào)整，驗(yàn)證了所提方法的可行性。針對(duì)設(shè)計(jì)變更，進(jìn)行準(zhǔn)確快速的更新，避免了設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的大量模型重建。

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Parameterization Correlation Design and Rapid Adjustment of Unmanned Aerial Vehicle Structure

Li Ru, Hu Bifu, Xi Ping, Jin Shihan

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

Based on the characteristics of the composites unmanned aerial vehicle(UAV) structure, the whole design process is described in detail. According to the studying of CATIA parameterization correlation method and the top-down design with the core of “l(fā)ayout sketch”, parameterization assembly correlation design method of UAV structure is proposed. Model rapid adjustment will be realized on it. Finally the effectiveness of the modeling method is verified by an example of an UAV structure.

unmanned aerial vehicle; parametricdesign; associated design; layoutsketch

TP 391.72

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050655

A

2095-302X(2016)05-0655-06

2016-04-20；定稿日期：2016-05-18

李 如(1990–)，男，山東菏澤人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)、智能CAD技術(shù)。E-mail：lisk062308@163.com

胡畢富(1979–)，男，貴州晴隆人，講師，工學(xué)博士。主要研究方向?yàn)镃AD/CAM、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。E-mail：7631234@qq.com