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，