民用飞机外形参数化技术研究

民用飞机外形参数化技术研究乔朝俊（第一飞机设计研究院西安 710089）摘要：本文通过对民用飞机各部件外形特征的分析，根据民机设计参数及各部件的外形设计特点，对翼吊布局民机的主要部件进行了参数化外形成型研究，提出了民机外形参数化设计方法和思路，为民机方案设计阶段外形快速设计提供基础。

关键词：参数化快速成型民机1 引言随着飞机设计手段的不断提高，飞机方案设计阶段的技术工作越来越详细，对飞机参数的选取优化、飞机部件选型的大量估算分析工作的主要输入条件之一就是飞机的几何外形。

传统的几何外形建模方式应经难以适应方案阶段飞机参数优化和部件选型对几何外形的要求，因此，开展外形参数化和参数化建模技术研究就显得尤为迫切。

通过该项技术的研究建立一套以飞机参数驱动的几何外形参数化建模系统，满足飞机方案设计对飞机外形的需求。

参数化成型的基础是几何参数的提取和三维外形的全参数化，本文就是根据上述需求，以民用飞机的主要设计参数为基础，提出了民机部件外形参数化的初步技术设想，为民用飞机参数化快速几何成型提供理论支持。

2 民用外形特征分析民用飞机的主要用于旅客和货物的运输、周转，它要求在相同的最大起飞重量基础上尽量增大飞机的载客（货）量，以获得最大的经济效益。

目前投入航线运营的喷气式民用飞机其布局形式主要有两种：发动机安装在机翼下方的翼吊布局和发动机安装在机身后部的尾吊布局。

除这两种形式外，还有翼吊和尾吊混合形式布局，还有各种特殊布局。

本文主要针对翼吊和尾吊两种典型布局民机进行分析研究。

对于翼吊和尾吊布局民机而言，可将其划分为机身、机翼、平尾、垂尾、发动机短舱、短舱挂架、翼身整流包、操纵面、襟翼滑轨/支臂整流罩等部件。

这些部件中，各部件外形特征如下：1) 机身和发动机短舱外形类似于圆柱，其剖面形状可以用多段圆弧或二次曲线来描述，但发动机短舱唇口和机头外形特征完全不同，机头上由于布置有驾驶舱风档而使该处外形成形非常复杂，短舱唇口由于气动力要求较高，其外形也较复杂。

2) 机翼是飞机的主要升力部件，其平面形状（前缘和）后缘一般带有拐折，而且有一定的后掠角，其外形扁平，各控制面之间均有扭转，对外形成形要求很高。

同时，根据飞机的起飞着陆要求，机翼上还配置有前缘缝翼、后缘襟翼、副翼、扰流/减速板等。

3) 平尾与机翼外特征类似，其上配置有升降舵，安装在机身后部或垂尾中、上部。

4) 垂尾平面形状与机翼类似，一般没有前后缘拐折，剖面为对称翼型，其上配置有方向舵，T尾布局形式的飞机平尾安装在平尾上。

5) 翼身整流罩是机翼与机身之间为减少相互的气流干扰而生成的整流曲面，其外形很复杂。

翼身整流罩的形状与机身/机翼的外形特征及机翼在机身上的安装位置有很大关系，一般情况下，分为机翼前部过渡段、翼身相交整流段和机翼后部整流区。

6) 发动机挂架剖面形式类似于翼剖面，平面形状类似于简单的带后掠机翼。

7) 操纵面主要包括前缘缝翼、后缘襟翼、副翼、升降舵、方向舵，这些部件平面形状较为简单，除前缘缝翼内、外形均为与翼型前缘类似形状外，剖面形状类似于翼型。

8) 襟翼滑轨/支臂整流罩是襟翼襟翼滑轨/支臂的整流部件，该类部件的剖面形状一般为“U”形，俯视形状类似于纺锤或翼型，尾部拖出机翼后缘。

3 机身外形参数化研究3.1 机身部件划分根据机身的外形特征，把机身分成机头、机身等直段、机身尾段三部分进行参数化成形。

机头和机身尾段分别定义为机身等直段前端面之前部分和机身等直段后端面之后部分。

3.2 机身等直段参数化机身等直段是由等直段剖面沿机身轴线方向拉伸形成的等剖面柱面，民机机身等直段剖面形状分为三类：圆形剖面、双圆弧剖面和多段圆弧剖面。

这些剖面都可以很容易用组成剖面圆弧的圆心位置和圆弧半径表示，除此之外，就是等直段长度和等直段前端面起始位置。

机身等直段参数如图1所示。

图1 机身等直段参数化示意图3.3 机头参数化由于真实民机机头上有驾驶舱，其形状比较复杂，难以对其进行完全参数化。

为方便对快速建模，将驾驶舱处近似为前部下偏的曲面，如图2所示。

机头形状主要由上、下零纵线、最大宽度线和机头控制剖面决定。

机头的上、下零纵线、最大宽度线主要由下列参数确定：H ——机身等直段高度；L ——机头长度；H1 ——机身下零纵最低点据构造水平面的距离；H2 ——机头最前点距机身构造水平面的距离；W ——机身最大宽度。

根据机头外形特征，可将机头剖面表示为以最大宽度线分割的两段二次曲线，通过分别定义上下两部分二次曲线控制参数沿航向的变化规律，即可确定任意横剖面上的机头控制剖面。

图2所示为机头参数化示意图。

图2 机头外形参数化示意图3.4 机身尾段参数化成型机身尾段的典型外形特征就是上翘并且逐渐收缩，其几何形状主要由上、下零纵线、最大宽度线及横剖面控制（如图3）。

真实机身尾段横剖面形状不规则，为便于参数化，将其剖面简化为上下两段二次曲线组成的曲线。

简化后的参数化曲线可以表示的绝大多数机身尾段剖面形式。

为便于机身尾段的上、下零纵线、最大宽度线快速成型，引入收缩比、上翘角等概念，进一步明确尾段控制剖面的变化趋势。

因此。

机身尾段的参数除等直段剖面参数外，还需定义下列参数：L——机身尾段长度；α——机身尾段上翘角，定义为飞机构造水平线在尾段长度30%处的点和尾段最后点的连线与飞机构造水平线的夹角；B ——尾段剖面扁平度见图4所示；S ——机身尾段收缩比，定义为机身尾段95%L处剖面当量直径与机身等直段当量直径之比图3 机身尾段参数图4 尾段剖面扁平度B＝2h/W通过上述参数，可以确定机身尾段建模所需的所有输入条件。

4 机翼外形参数化4.1 机翼平面形状的参数化机翼平面形状的初始设计参数为机翼面积（S）、展弦比（AR）、梢根比（λ）、1/4弦线后掠角（α），对于单纯的梯形翼，根据这四个参数可以确定机翼的平面形状。

在实际设计中，机翼平面形状会在前后缘处发生拐折，一般情况下，绘制机翼平面形状所需参数如图5所示：图5 机翼平面形状定义图中，对于无拐折的规则梯形定义所需的参数均可以从机翼的四个基本参数得出，其关系如下：b=(AR·S)1/2Cr = 2·S/[b·(1+λ)]Ct =λ·CrXtc = b·tg(α)/2+ (Cr－Ct)/4带拐折机翼，需增加拐折的参数，对于前缘拐折和后缘拐折，分别增加两个参数：Zkf——前缘拐折点距机翼根剖面的距离；αkf——前缘拐折后掠角；Zkr——后缘拐折点距机翼根剖面的距离；αkr——后缘拐折后掠角。

由前缘拐折引起的根弦增量为：△Crkf = Zkf·[tg(αkf) －2·Xtc/b]由后缘拐折引起的根弦增量为：△Crkf = Zkr·[2·(Xtc＋Ct－Cr)/b －tg(αkr)]因此，引入机翼拐折因子Kf、Kr，当有前（或和后）缘拐折时，Kf（Kr）值为1，否则为0。

故带拐折机翼根剖面弦长为：Crk = Cr + △Crkf·Kf + △Crkf ·Kr4.2 机翼三维参数化机翼平面形状确定后，还需要有机翼的控制剖面及其扭转角，才能形成三维机翼曲面，每个控制剖面定义信息如下：Zp ——剖面沿机翼展向百分比站位；At ——剖面扭转角；Nu、Nl——剖面上、下翼面控制点数；Xu(Nu)，Yu(Nu)——剖面上翼面控制点相对坐标；Xl(Nl)，Yl(Nl)——剖面下翼面控制点相对坐标；根据以上信息，结合机翼平面形状并考虑扭转角参数确定每个剖面的弦长，可以顺利完成机翼三维剖面配置，进而实现机翼外形参数化快速成型。

4.3 机翼安装参数机翼在机身上的安装定位参数有：Ai——机翼安装角；Ad——机翼上（下）反角；Xw，Yw，Zw——机翼翼身对接剖面前缘点在机身坐标系下的坐标。

机翼在机身上安装时，先将机翼曲面平移，使其翼身对接剖面前缘点与机身坐标系的（Xw，Yw，Zw）点重合。

之后按照先安装后上（下）反的顺序进行安装角和上（下）反角安装，安装基准为过翼身对接面且垂至于机身对称面的直线，上（下）反基准为翼身对接面弦线。

5 尾翼外形参数化5.1 平尾外形参数化平尾的参数化成型过程与机翼相似，其平面形状一般为梯形，控制剖面也比机翼少，其外形控制参数同无拐折机翼。

5.2 垂尾外形参数化在翼面类部件中，垂尾外形最为简单，而且其控制剖面左右对称，外形控制参数比机翼少剖面扭转角、安装角、上（下）反角。

6 短舱外形参数化短舱是发动机及其附件的外形整流部件，其外形处唇口外与机身外形类似，因此将短舱分为唇口和短舱柱段两部分进行参数化研究。

短舱柱段剖面可用两段二次曲线表示，具体参数化方法与机头类似。

唇口部分过发动机轴线剖面形状与翼型前缘类似，可将此剖面从最前缘点分为内外两段，每段曲线用二次曲线表示，这样就将复杂的短舱唇口定义为剖面形状为两段二次曲线的可参数化描述的曲面。

除短舱本身的外形参数外，还有短舱的安装参数，它们分别是：短舱安装角、短舱头部内偏角和短舱安装位置。

7 短舱挂架外形参数化7.1 挂架外形概述短舱挂架位于机翼（机身）与短舱之间，其剖面形状与翼型类似，真实飞机的短舱挂架剖面一般为非对称曲线，在方案设计阶段，可按对称曲线来形成挂架剖面。

挂架曲面由前缘线、后缘线及挂架控制剖面确定。

另外，挂架对称面位置和方向、挂架前缘线与机翼交点为挂架定位参数。

7.2 挂架平面形状的参数化为便于参数化，将挂架平面形状简化为图8所示图形（翼吊）。

图8 挂架平面形状定义图中的参数如下：Ctp ——挂架尖弦长度αpf ——挂架前缘线后掠角αpr ——挂架后缘线后掠角Hp ——挂架高度β——发动机外涵喷流角7.3 挂架三维参数化在挂架平面形状的基础上，挂架的控制剖面进行三维配置，控制剖面配置信息如下：Yp——剖面沿挂架展向百分比站位；Np——剖面控制点数；X (Np)，Y (Np)——剖面控制点相对坐标。

根据以上信息，结合挂架平面形状确定剖面弦长，将控制剖面沿挂架前、后缘线扫掠生成挂架三维曲面，再按照发动机喷流角对挂架下后部进行剪切。

7.4 挂架安装参数挂架在机身上的安装定位参数有：Xp，Yp，Zp——挂架上部剖面前缘点在机身坐标系下的坐标，该点位于机翼下表面前缘部位。

XpN，YpN，ZpN——挂架对称面法向矢量。

挂架在机身上安装时，将挂架曲面平移，使上部剖面前缘点与机身坐标系（Xp，Yp，Zp）点重合，同时保证挂架对称面与（XpN，YpN，ZpN）平行。

8 翼身整流包参数化成型翼身整流包是机翼和机身之间的整流过渡曲面，在真实飞机上，该曲面形状复杂，不易于参数化。

但在飞机方案设计阶段，一般采用与翼身对接面等宽的直壁整流，以减少机身相交部位的相互干扰。