CN103324772B - 单曲风挡机头一体化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机设计领域，特别涉及一种单曲风挡机头一体化设计方法，包括如下步骤：根据机头设计约束，提取Catia成形参数；建立机头参数化曲面模型，按下列顺序生成曲面：生成机头一侧的上主曲面；切除上主曲面风挡区域；在风挡区域先生成主风挡曲面再生成侧风挡曲面；生成主风挡曲面与切除风挡区域之后的剩余上主曲面之间的过度曲面；生成机头一侧的上前曲面；依次生成机头一侧的剩余曲面：下主曲面、下后曲面、下前曲面；对称地生成机头另一侧的曲面。通过切割法一体化生成上主曲面，保证了上主曲面的曲率高阶连续，便于一体化制造；同时使机头具有很好的气动特性及流动品质，从而降低油耗。

Description

单曲风挡机头一体化设计方法
技术领域
本发明涉及一种飞机机头设计方法，特别地，涉及一种单曲风挡机头一体化设计方法，通过该方法能够设计出具有很好气动特性的流线型机头。
背景技术
对于民用飞机机头设计而言，需要满足很多的固有约束要求，如驾驶舱的外部视野、驾驶员活动空间等人机工效要求；驾驶舱设备布置、前起落架收放、雷达安装要求；结构框、地板、壁板、内饰等结构件布置空间要求等。在满足以上约束的前提下，机头设计又要追求最优的气动特性。
对于飞机机头，驾驶舱风挡上主曲面对整个机头的流动品质有着至关重要的影响。该处处于驾驶员头部以上，驾驶舱部内顶部板安装及结构高度约束使该处曲面较突，曲率较大，气流加速急剧，很容易出现超音速区，甚至出现激波。大大增加了全机阻力，同时增加机头部位产生的气动噪声。
传统型机头(见图1)多采用平面风挡a，如现役的空客、波音飞机。其优点是折射和视觉变形影响最小、平面风挡成本低，缺点是风挡处流动特性较差，并且由于机头上主曲面b的曲面突、曲率大以及平面(风挡)到曲面之间的过渡曲面质量差，从而使得经过此处的气流加速较快，容易产生超音速区，且机头的鼻部c处会产生两个驻点，气动阻力大。另外，由于机头曲面的不连续，曲面过度比较困难，制造工艺也比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种单曲风挡机头一体化设计方法，通过本方法设计的曲面风挡流线型机头气动特性优良且易于加工制造。
为此，根据本发明的一个方面，提供一种单曲风挡机头一体化设计方法，包括如下步骤：
1.0、根据机头设计约束，提取Catia成形参数；
2.0、建立机头参数化曲面模型，曲面生成顺序如下：
2.1、生成机头一侧的上主曲面ICLJ；
2.2、切除上主曲面ICLJ风挡处的部分，得到剩余上主曲面IABHJ；
2.3、生成机头一侧的主风挡曲面CERM；
2.4、生成机头一侧的侧风挡曲面MRFD；
2.5、生成主风挡曲面CERM与剩余上主曲面IABHJ之间的过度曲面ACDB；
2.6、生成机头一侧的上前曲面EGHF；
2.7、依次生成机头一侧的剩余曲面：下主曲面OPQN、下后曲面NQKJ、下前曲面GPO；
2.8、生成机头另一侧的与根据步骤2.1至2.7生成的曲面对称的曲面。
在本发明的该方面，由于上主曲面为一体化成形，然后通过切割风挡区，再单独生成风挡曲面以及风挡曲面和上主曲面之间的过渡曲面，即通过切割曲面的方法，达到一体化成形风挡上主曲面的目的，因而很好地改善了机头风挡上主曲面处的流动品质，消除了巡航状态超音速区，在使用范围内压力分布均匀，压力梯度小。从而，该方法很大层度上改善了机头上的流动品质，降低了机头阻力以及气动噪声。
优选地，在步骤1.0中的所述Catia成形参数包括：眼位、机头前点、机头等直段轮廓线、最大宽度线、上零纵线、下零纵线、头部空间控制点、上视界线、下视界线、眼位-风挡距离控制点、风挡竖直后掠线。
优选地，所述步骤2.1包括：将上视界线与风挡竖直后掠线相交得到一交点S1，通过在该点处生成第一水平面并与上零纵线相交得到交点C，在C点生成一个与机头轴线相垂直的第一站位平面从而 与最大宽度线相交得到L点，将机头等直段轮廓线与上零纵线相交得到I点，将机头等直段轮廓线与最大宽度线相交得到J点，通过二次扫掠曲面生成上主曲面ICLJ，前端剖面线CL参数在0.38～(sqrt2-1)之间，后端剖面线IJ参数由机头与机身对接剖面外形确定，后端剖面线IJ参数取为sqrt2-1，二次扫掠上主曲面ICLJ由前向后法则曲线采用S型或直线型。
优选地，所述步骤2.2包括：在S1点正上方50mm～100mm处生成第二水平面；从眼位向后400mm处生成一垂直于机头轴线的第二站位平面；将第二水平面和第二站位平面与上主曲面ICLJ相交并合并，得到组合曲线AB-BH，A点为第二水平面与飞机上零纵的交点，H点为第二站位平面与飞机最大宽度线的交点，B点为第二水平面和第二站位平面以及上主曲面ICLJ三个平面的交点，用该组合曲线AB-BH切割上主曲面ICLJ，得到剩余上主曲面IABHJ。
优选地，所述步骤2.3包括：将下视界线与风挡竖直后掠线相交得到一交点S2，在该S2点处生成第三水平面，第三水平面与上零纵线相交为E点，同时与曲线BH相交为F点，进而生成二次曲线EF，然后以线段CE为引导线，以二次曲线EF为母线，拉伸生成单曲面CEFS，将曲面CEFS生成后根据与主驾驶员视界边界相交得到风挡视界边界线，以风挡视界边界线上线间距最小的两个拐点U、T为端点生成线段UT，然后在单曲面CEFS上向外侧平移50～150mm并进行延伸，分别与单曲面CEFS的边界线EF、CS相交于点R、M，用线段MR切割单曲面EFSC，得到单曲面主风挡ERMC。
优选地，所述步骤2.4包括：过点S1的第一水平面、过点S2的第三水平面分别与BH相交于点D、F，然后分别生成二次曲线MD、RF，二次曲线MD与CM曲率连续，RF与ER曲率连续，在此基础上以MD、RF为截面线，以MR和DF为引导线采用多截面曲面生成侧风挡曲面MRFD，曲面MRFD分别与主风挡曲面CERM以及IABHJ曲面相切。
优选地，所述步骤2.5包括：以曲线AB、CMD为两端剖面线， AC、BD为引导线，采用多截面曲面生成过度曲面ACDB，同样其与周围曲面相切。
优选地，所述步骤2.6包括：分别以FH、EG为前后端剖面线，生成二次扫掠曲面EGHF，曲面的脊线在机身对称面处垂直于对称面并在另一端与曲面IABHJ相切，其中，G为机头前点。
优选地，所述步骤2.7包括：下主曲面OPQN采用二次扫掠曲面生成，前后端剖面线参数均小于或等于sqrt2-1；下后曲面NQKJ采用多截面曲面生成；下前曲面GPO采用填充曲面生成，这些面在生成的过程中都要和与其相邻的曲面相切。
优选地，在步骤1.0中的所述机头设计约束包括：驾驶舱视野、驾驶员空间、人机工效要求、驾驶舱设备布置、前起落架收放空间、雷达安装要求、结构框空间、框距要求。
总的来说，由于本发明通过一体化曲面成形的方法，一方面能够确保风挡上主曲面曲率高阶连续，在制造时可以考虑一体化制造；另一方面用该方法设计的流线型机头具有很好的气动特性及流动品质，从而降低油耗。
通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。
附图说明
本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：
图1是传统机头特征示意图；
图2是根据本发明方法优选实施方式中的机头成形参数示意图；
图3是根据本发明方法优选实施方式中风挡处曲面切割示意图；
图4是图3中曲面ICLJ的生成方法示意图；
图5示出了根据本发明方法优选实施方式中参数化的一体化机头成形过程及结果；
图6是图5中主风挡曲面CERM的生成方法示意图；
图7A是根据本发明方法优选实施方式设计的机头在马赫(Ma)数为0.785、攻角(AOA)为1°的情况下机头表面压力云图及机头上的最大马赫数数；
图7B是根据本发明方法优选实施方式设计的机头在马赫(Ma)数为0.785、攻角(AOA)为2°的情况下机头表面压力云图及机头上的最大马赫数数；
图7C是根据本发明方法优选实施方式设计的机头在马赫(Ma)数为0.785、攻角(AOA)为3°的情况下机头表面压力云图及机头上的最大马赫数数；
图8是根据本发明方法优选实施方式设计的机头在不同速度下对应机头上零纵处的压力(Cp)分布图。
具体实施方式
根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。
根据本发明的一个优选实施方式的单曲风挡机头一体化设计方法，包括如下步骤：
1.0、根据机头设计约束，提取Catia成形参数；
2.0、建立机头参数化曲面模型，曲面生成顺序如下：
2.1、生成机头一侧的上主曲面ICLJ；
2.2、切除上主曲面ICLJ风挡处的部分，得到剩余上主曲面IABHJ；
2.3、生成机头一侧的主风挡曲面CERM；
2.4、生成机头一侧的侧风挡曲面MRFD；
2.5、生成主风挡曲面CERM与剩余上主曲面IABHJ之间的过度曲面ACDB；
2.6、生成机头一侧的上前曲面EGHF；
2.7、依次生成机头一侧的剩余曲面：下主曲面OPQN、下后曲面NQKJ、下前曲面GPO；
2.8、生成机头另一侧的与根据步骤2.1至2.7生成的曲面对称的曲面。
首先，在步骤1.0中，机头设计约束主要是指：驾驶舱视野、驾驶员空间、人机工效要求、驾驶舱设备布置、前起落架收放空间、雷达安装要求、结构框空间、框距要求。
根据机头设计约束，提取Catia成形参数：眼位1、机头前点2、机头等直段轮廓线3、最大宽度线4、上零纵线5、下零纵线6、头部空间控制点7、上视界线8、下视界线9、眼位-风挡距离控制点10、风挡竖直后掠线11，如图2所示。
具体地，上述参数如此定义：眼位1定义为左驾驶员驾驶时眼睛的位置；机头前点2控制机头最前方位置，同时控制机头前部的空间；机头等直段轮廓线3控制机头最后方位置及该处的外形；最大宽度线4为机头侧边最外轮廓线，其将机头分成上下两个部分，其同时控制机头内部侧壁板与飞机蒙皮之间的距离；上零纵线5为上半机头对称面轮廓线，下零纵线6为下半机头对称面轮廓线，其控制机头下部的空间，包括前起落架及雷达的布置空间；头部空间控制点7定义为顶部板最下方边线在对称面的投影点，控制顶部板与顶部蒙皮之间的距离，在成形时直接体现在控制上零纵线5上；上下视界线8、9是驾驶员视界的上下边界线；眼位-风挡距离控制点10控制风挡距离眼位的距离，一般在500-700mm以内，这是人机工效的要求；风挡竖直后掠线11控制主风挡的竖直后掠角度，其与竖直线的角度控制在40°-50°之间，亦是满足人机工效的要求。
在步骤2.0中，通过建立机头参数化曲面模型来生成曲面。如图3所示，在生成机头曲面的过程中，首先一体化成形曲面以ICLJ为顶点的二次扫掠曲面，其中以ABHLC为顶点的曲面位于驾驶舱风挡 处。在本实施方式中，为了驾驶员视野及降低风挡制造成本，优选采用单曲面风挡，所以先将以ABHLC为顶点的曲面切除。在对风挡区域的曲面进行切割之后，剩下的曲面ABHJI即为一高阶连续的一体化曲面，此即一体化成形。
具体地，曲面生成顺序如下：
首先，在上述步骤2.1中，生成上主曲面ICLJ。如图3所示，并结合图2、图4和图5，将上视界线8与风挡竖直后掠线11相交得到一交点S1，通过在该点S1处生成第一水平面(图未示)并与上零纵线5相交得到交点C，在点C生成一个与机头轴线m相垂直的第一站位平面(图未示)从而与最大宽度线相交得到L点，将机头等直段轮廓线3与上零纵线5相交得到I点，将机头等直段轮廓线3与最大宽度线4相交得到J点，通过二次扫掠曲面生成上主曲面ICLJ，前端剖面线CL参数在0.38～(sqrt2-1)之间，后端剖面线IJ参数由机头与机身对接剖面外形确定，一般该处等直段为1/4圆弧，后端剖面线IJ参数取为sqrt2-1，二次扫掠上主曲面ICLJ由前向后法则曲线采用S型或直线型。
接着，在上述步骤2.2中，进行曲面切割。仍然如图3所示，并结合图2、图4和图5，在S1点正上方50mm～100mm处生成第二水平面(图未示)；从眼位1向后400mm处生成一垂直于机头轴线m的第二站位平面(图未示)；将第二水平面和第二站位平面与上主曲面ICLJ相交并合并，得到组合曲线AB-BH，点A为第二水平面与飞机上零纵5的交点，点H为第二站位平面与飞机最大宽度线4的交点，点B为第二水平面和第二站位平面以及上主曲面ICLJ三个平面的交点，用该组合曲线AB-BH切割上主曲面ICLJ，得到剩余上主曲面IABHJ。
将风挡区域切割出来之后，在步骤2.3中生成主风挡曲面CERM，该步骤包括：如图3所示，并结合图2、图4、图5和图6，将下视界线9与风挡竖直后掠线11相交得到一交点S2，在该S2点处生成第三水平面(图未示)，第三水平面与上零纵线5相交为E点，同 时与曲线BH相交为F点，进而生成二次曲线EF，然后以线段CE为引导线，以二次曲线EF为母线，拉伸生成单曲面CEFS，如图6所示，将曲面CEFS生成后根据与主驾驶员视界边界(图未示)相交得到风挡视界边界线n，以风挡视界边界线上线间距最小的两个拐点U、T为端点生成线段UT，然后在单曲面CEFS上向外侧平移50～150mm并进行延伸，分别与单曲面CEFS的边界线EF、CS相交于点R、M，用线段MR切割单曲面EFSC，得到主风挡单曲面ERMC。
然后，在步骤2.4中生成侧风挡曲面MRFD。该步骤2.4包括：过点S1的第一水平面、过点S2的第三水平面分别与BH相交于点D、F，然后分别生成二次曲线MD、RF，二次曲线MD与CM曲率连续，RF与ER曲率连续，在此基础上以MD、RF为截面线，以MR和DF为引导线采用多截面曲面生成侧风挡曲面MRFD，曲面MRFD分别与主风挡曲面CERM以及IABHJ曲面相切，如图5所示。
主风挡曲面CERM与剩余上主曲面IABHJ之间的过度曲面ACDB在步骤2.5中生成。该步骤2.5包括：以曲线AB、CMD为两端剖面线，AC、BD为引导线，采用多截面曲面生成过度曲面ACDB，同样其与周围曲面相切。
接下来，在步骤2.6中，生成上前曲面EGHF。该步骤2.6包括：分别以FH、EG为前后端剖面线，生成二次扫掠曲面EGHF，曲面的脊线在机身对称面处垂直于对称面并在另一端与曲面IABHJ相切，其中，G为机头前点。
再接着，在步骤2.7中依次生成下主曲面OPQN、下后曲面NQKJ、下前曲面GPO。该步骤2.7包括：下主曲面OPQN采用二次扫掠曲面生成，前后端剖面线参数均小于或等于sqrt2-1；下后曲面NQKJ采用多截面曲面生成；下前曲面GPO采用填充曲面生成。这些面在生成的过程中都要和与其相邻的曲面相切
最后，在步骤2.8中，以与根据步骤2.1至2.7生成的曲面相同的方式对称地生成机头的剩余部分。
由于在生成机头曲面的过程中，首先一体化成形风挡及其上后 区域的二次扫掠曲面，然后切除风挡区域，生成单曲面风挡，再以边界相切的方式生成二次扫掠曲面和单曲面之间的过渡曲面，因而很好地改善了机头风挡上后区域处的流动品质，消除了巡航状态超音速区，在使用范围内压力分布均匀，压力梯度小。因此，该方法很大程度上改善了机头上的流动品质，降低了机头阻力以及气动噪声，并从而可降低油耗。
从图7A、7B和7C可以看出，当机头相对空气的速度即马赫数为0.785，AOA分别为1°、2°和3°时，机头上的最大马赫数(Mmax)都小于1，即没有超音速，可见，机头上没有出现超音速区，机头上压力分布均匀，压力梯度小。从图8可以看出，在使用马赫数(即Ma＝0.785)附近，即无论是在高于使用马赫数的0.82的情况，还是低于使用马赫数的0.70的情况，机头上零纵处压力系数(Cp)基本一致，可见，本发明的上述设计方案具有很好的鲁棒性。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1.0、根据机头设计约束，提取Catia成形参数；
2.0、建立机头参数化曲面模型，曲面生成顺序如下：
2.1、生成机头一侧的上主曲面ICLJ；
2.2、切除上主曲面ICLJ风挡处的部分，得到剩余上主曲面IABHJ；
2.3、生成机头一侧的主风挡曲面CERM；
2.4、生成机头一侧的侧风挡曲面MRFD；
2.5、生成主风挡曲面CERM与剩余上主曲面IABHJ之间的过度曲面ACDB；
2.6、生成机头一侧的上前曲面EGHF；
2.7、依次生成机头一侧的剩余曲面：下主曲面OPQN、下后曲面NQKJ、下前曲面GPO；
2.8、生成机头另一侧的各个曲面，所述各个曲面分别与根据步骤2.1至2.7生成的曲面对称。
2.根据权利要求1所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，在步骤1.0中的所述Catia成形参数包括：眼位、机头前点、机头等直段轮廓线、最大宽度线、上零纵线、下零纵线、头部空间控制点、上视界线、下视界线、眼位-风挡距离控制点、风挡竖直后掠线。
3.根据权利要求1或2所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.1包括：将上视界线与风挡竖直后掠线相交得到一交点S1，通过在该点处生成第一水平面并与上零纵线相交得到交点C，在C点生成一个与机头轴线相垂直的第一站位平面从而与最大宽度线相交得到L点，将机头等直段轮廓线与上零纵线相交得到I点，将机头等直段轮廓线与最大宽度线相交得到J点，通过二次扫掠曲面生成上主曲面ICLJ，前端剖面线CL参数在0.38～(sqrt2-1)之间，后端剖面线IJ参数由机头与机身对接剖面外形确定，后端剖面线IJ参数取为sqrt2-1，二次扫掠上主曲面ICLJ由前向后法则曲线采用S型或直线型。
4.根据权利要求3所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.2包括：在S1点正上方50mm～100mm处生成第二水平面；从眼位向后400mm处生成一垂直于机头轴线的第二站位平面；将第二水平面和第二站位平面与上主曲面ICLJ相交并合并，得到组合曲线AB-BH，A点为第二水平面与飞机上零纵的交点，H点为第二站位平面与飞机最大宽度线的交点，B点为第二水平面和第二站位平面以及上主曲面ICLJ三个平面的交点，周该组合曲线AB-BH切割上主曲面ICLJ，得到剩余上主曲面IABHJ。
5.根据权利要求4所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.3包括：将下视界线与风挡竖直后掠线相交得到一交点S2，在该S2点处生成第三水平面，第三水平面与上零纵线相交为E点，同时与曲线BH相交为F点，进而生成二次曲线EF，然后以线段CE为引导线，以二次曲线EF为母线，拉伸生成单曲面CEFS，将曲面CEFS生成后根据与主驾驶员视界边界相交得到风挡视界边界线，以风挡视界边界线上线间距最小的两个拐点U、T为端点生成线段UT，然后在单曲面CEFS上向外侧平移50～150mm并进行延伸，分别与单曲面CEFS的边界线EF、CS相交于点R、M，用线段MR切割单曲面EFSC，得到单曲面主风挡ERMC。
6.根据权利要求5所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.4包括：过点S1的第一水平面、过点S2的第三水平面分别与BH相交于点D、F，然后分别生成二次曲线MD、RF，二次曲线MD与CM曲率连续，RF与ER曲率连续，在此基础上以MD、RF为截面线，以MR和DF为引导线采用多截面曲面生成侧风挡曲面MRFD，曲面MRFD分别与主风挡曲面CERM以及IABHJ曲面相切。
7.根据权利要求6所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.5包括：以曲线AB、CMD为两端剖面线，AC、BD为引导线，采用多截面曲面生成过度曲面ACDB，同样其与周围曲面相切。
8.根据权利要求7所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.6包括：分别以FH、EG为前后端剖面线，生成二次扫掠曲面EGHF，曲面的脊线在机身对称面处垂直于对称面并在另一端与曲面IABHJ相切，其中，G为机头前点。
9.根据权利要求8所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，所述步骤2.7包括：下主曲面OPQN采用二次扫掠曲面生成，前后端剖面线参数均小于或等于sqrt2-1；下后曲面NQKJ采用多截面曲面生成；下前曲面GPO采用填充曲面生成。
10.根据权利要求9所述的单曲风挡机头一体化设计方法，其特征在于，在步骤2.7中，各个所述曲面均和与其相邻的曲面相切。
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