0 引言

　　參數(shù)化設(shè)計是計算機輔助設(shè)計中的一項重要的技術(shù)，是初始設(shè)計和多種方案比較的有效手段。在機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計的選型階段，需要對幾種不同方案進行對比研究。翼面結(jié)構(gòu)建模過程中往往需要對一些元件位置、尺寸等進行調(diào)整，但后期修改模型的工作十分復(fù)雜，有時甚至無法修改；翼面結(jié)構(gòu)中相同的元件（如長桁、翼肋等）有多個，這些元件的建模方式雖然完全相同，但結(jié)構(gòu)設(shè)計人員仍要做大量重復(fù)性的工作。從縮短設(shè)計周期的角度考慮，參數(shù)化建模技術(shù)作為一種先進的設(shè)計方法可以很好的解決翼面結(jié)構(gòu)建模中遇到的難題。

　　首先，將翼面結(jié)構(gòu)主要元件的布局，尺寸設(shè)定為參數(shù)，通過對參數(shù)的重置，實現(xiàn)對各元件布局、尺寸的重新調(diào)整；其次，程序語言可使翼面結(jié)構(gòu)復(fù)雜瑣碎的建模過程模塊化，方便管理且簡化了大量復(fù)雜的建模操作，使結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠把更多的精力放在設(shè)計本身。因此參數(shù)化建模可以提高翼面結(jié)構(gòu)建模的效率和質(zhì)量。如何快速建立滿足各種方案設(shè)計、預(yù)研要求的翼面結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，已成為工程領(lǐng)域急需解決的難題?；谟嬎銠C輔助設(shè)計軟件的二次開發(fā)技術(shù)為飛機翼面結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法提供了一種有效的途徑。

　　本文研究如何應(yīng)用CATIA的Automation二次開發(fā)技術(shù)和C++、VB語言混合編程實現(xiàn)飛機翼面結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計。要自動生成翼面結(jié)構(gòu)模型，必須要找到能夠準確描述翼面結(jié)構(gòu)布局和各元件的位置、尺寸的參數(shù)。其中機翼的平面控制參數(shù)既可以是用戶手動輸入，也可以從總體模型讀取。各組成元件的尺寸、位置參數(shù)從軟件界面輸入，翼型數(shù)據(jù)從文件讀取。得到這些參數(shù)后，結(jié)合CATIA的建模規(guī)范，程序可以自動生成翼面結(jié)構(gòu)CATIA三維模型。參數(shù)化創(chuàng)建的三維CATIA模型既可以計算出面積、體積等幾何特性，方便查看截面幾何信息及快速生成相應(yīng)工程圖，也可以提供給各個設(shè)計部門直接使用。同時在工程實踐中，特別是航空航天復(fù)雜零件的設(shè)計中，使用CATIA建模生成中間文件來進行有限元分析的方法也具有很強的現(xiàn)實意義。文章最后以簡化后的某型飛機翼面結(jié)構(gòu)作為實例，證明了應(yīng)用CATIA二次開發(fā)方法實現(xiàn)翼面結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計的可行性。

1 翼面結(jié)構(gòu)元件的參數(shù)化描述

　　1.1 機翼平面形狀及其組成元件站位信息的參數(shù)化描述

　　機翼平面形狀的控制參數(shù)有半展長L、前緣后掠角xo、根弦長b0、尖弦長b1。

　　假設(shè)機翼為雙梁式，長桁等百分比布置（上、下翼面的個數(shù)可不同），翼肋為順氣流布置，這些元件的個數(shù)、位置均以參數(shù)形式給出，確定這些參數(shù)后就可以唯一確定機翼的平面形狀以及各元件的站位信息。 

1.2 翼面結(jié)構(gòu)元件截面形狀的參數(shù)化描述

　　1.2.1 梁的設(shè)計

　　翼梁由腹板和緣條組成，腹板用于承受扭矩引起的剪流和機翼的剪力，緣條用于承受彎矩引起的軸向力，受拉伸和壓縮。

　　現(xiàn)代飛行器翼面普遍應(yīng)用腹板式梁，梁緣條以承受軸向拉壓方式承彎，腹板承剪。腹板式梁的控制參數(shù)有梁的高度、梁緣條的截面尺寸、梁腹板的截面尺寸。從剖面形狀看，梁腹板的截面多為矩形，梁緣條有開口型和閉口型。梁緣條的截面形狀有多種形式可供選擇，其參數(shù)描述如圖2所示。

　　1.2.2 壁板的設(shè)計

　　蒙皮起傳遞氣動力和維持機翼外形的作用，現(xiàn)代飛行器翼面一般采用承力蒙皮，蒙皮較厚。設(shè)計時根據(jù)翼肋的站位，蒙皮沿展向，以翼肋緣條為邊界分段變厚度，每一段厚度值自己設(shè)定。

　　長桁的主要功能是承受機翼彎矩和局部空氣動力載荷引起的軸向力和剪力，此外在縱向起支持蒙皮的作用。長桁支承在翼肋上，相當于一根處于縱向和橫向彎曲作用下的多支點梁柱。長桁的設(shè)計與梁緣條設(shè)計方法相同，布置方式分為等百分比布置、給定角度布置、平行于前梁布置、平行于后梁布置。

　　1.2.3 翼肋的設(shè)計

　　普通肋用于維持機翼剖面形狀，并傳遞初始局部氣動載荷。同時翼肋還有支持蒙皮和長桁的作用，從而提高加筋壁板的抗失穩(wěn)能力。加強肋傳遞來自其它部件傳來的集中載荷或?qū)⒛撤N形式的分布剪流轉(zhuǎn)換成另一種形式的分布剪流。

翼肋構(gòu)造形式有多種，在初步設(shè)計階段，以腹板式作為簡化，翼肋緣條和腹板的設(shè)計方法與腹板梁的設(shè)計方法相同，參數(shù)化設(shè)計時，根據(jù)翼型數(shù)據(jù)與當?shù)叵议L，繪制各段翼肋的輪廓。

2 Visual Studio環(huán)境下的CATIA二次開發(fā)

　　CATIA Automation二次開發(fā)方法最直接的應(yīng)用就是簡單的自動繪圖，在Visual Studio環(huán)境下，基于COM(component object model)的OLE(object liking and embedding)自動化技術(shù)對開發(fā)語言沒有限制，為混合編程下的二次開發(fā)技術(shù)提供可能，且能使一些復(fù)雜問題得到簡化。而CATIA CAA(component application architecture)二次開發(fā)方法不適用于自動繪圖，實現(xiàn)方法也較復(fù)雜，并且對Visual Studio的版本也有限制，但CAA方法功能強大，可以為其他的開發(fā)方法提供借鑒。本文使用CAA Automation方法，在C++和VB語言下，介紹在Visual Studio 2010、CATIA V5R18環(huán)境下應(yīng)用CATIA Automation技術(shù)的主要步驟，通過混合編程，實現(xiàn)翼面結(jié)構(gòu)的快速建模。

　　2.1 CATIA類庫的引入

　　在Visual Studio環(huán)境下，使用#import＂…[.tlb＂high—method prefix(＂Catia＂)rename—namespace(＂CAT＂)逐個引入CATIA安裝目錄下的93個“.tlb”庫文件。由于CATIA類庫中的函數(shù)名可能與C++標準庫、Access數(shù)據(jù)庫及Office類庫的函數(shù)名相沖突，因此引入CATIA類庫時用high—method—prefix(＂Catia＂)聲明。此外，在CATIA類庫引入的過程中，其自身多個類庫的函數(shù)名沖突，需要調(diào)整類庫的引入順序并把相沖突的類庫放在不同的命名空間下。編譯成功后，會在debug目錄下生成對應(yīng)的“tlh”和“tli”文件。

　　VB環(huán)境下只需在“工程一引用”選項中把所需CATIA類庫勾選即可。

　　2.2 機翼平面參數(shù)及翼型數(shù)據(jù)的讀取

　　考慮到某些CATIA的接口函數(shù)使用安全數(shù)組作為形參，而使用C++語言Automation做二次開發(fā)時不清楚如何構(gòu)造相應(yīng)的安全數(shù)組，且VB語言中安全數(shù)組的使用方法實現(xiàn)起來較為簡單，故使用VB語言編寫可以讀取總體模型信息的動態(tài)鏈接庫(DLL)，使用C++調(diào)用的方式實現(xiàn)模型讀取功能。

　　程序首先利用曲面設(shè)計下的AddNewlntersection()函數(shù)來剖分修型后的飛機總體模型機翼段，得到能夠描述翼型樣條曲線的控制點，然后將這些點拆分、重命名，再按名字查找特征并讀取點的坐標值。按名字查找特征時不能使用FindObjectByName()函數(shù)，它不適用有特征重名的情況，應(yīng)使用

　　CATIA.ActiveDocurnent.Selectio n_Search＂Name=obj.1，all＂方法。

　　獲取機翼某段翼肋剖面上點的類型和個數(shù)的方法為：

　　CATIA.ActiveCbcmnent.Selection.Search

　　(PointName)

　　NmnOfpointsSelected=selectionPoint.Count2

　　Set selectedElementl=selectionPoint.Item2(1)

　　DetectPointType=selectedElementl.Type()

　　用TheSPAWorkbench.GetMeasurable方法獲取前緣后掠角

　　獲取機翼某段翼肋剖面上的HbridShapePointCoord類型點坐標的方法為：

　　Set SelectedPbint(i)=CATIA.ActiveDocument.

　　Selection.Item2(i+1).Value

　　SelectedPoint(i).GetCoordimtes CoordTmp

　　2.3 翼面結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)化創(chuàng)建

　　創(chuàng)建CATIA應(yīng)用的代碼如下

　　HRESULT hr=S_OK；

　　Hr=m _CATIA.GetActiveObject(＂CATIA.Application＂)；

　　if(FAILED (hr)){

　　hr=m CATIA.CreateInstance(＂CATIA.Application＂)；

　　 )

　　建立CATIA繪圖環(huán)境，新建Part，啟用混合設(shè)計的過程是：

　　DocumentsPtr documents_WStru；

　　documents_WStru=m_CATIA→GetDocuments()；

　　BSTR AddPart=_com_util::ConvertStringToBSTR(＂Part_WStru＂)；

　　PartDocumentPtr partDocument_WStru；

　　partDocument_WStru=documents_WStru→CatiaAdd(&AddPart)；

　　PartPtr WingStru=partDocument_WStru→GetPart()；

　　WingStru→CatiaUpdateObject(hybridBodySkin)；

　　將繪制翼面結(jié)構(gòu)的梁、長桁、蒙皮、翼肋所用到的點、線、面幾何特征分別放在相應(yīng)幾何圖形集下，例如蒙皮幾何圖形集的創(chuàng)建方法為：

　　HybridBodiesPtr hybridBodiesSkin=WingStru→HybridBodies；

　　HybridBodyPtr hybridBodySkin=hybridBodiesSkin→CatiaAdd()；

　　BSTR SkinName=_com_util::ConvertStringToBSTR (＂SkinDatum＂)；

　　hybridBodySkin→PutName(&SkinName)；

　　WingStru→CatiaUpdateObject(hybridBodySkin)；

　　需要說明的是，在草圖平面創(chuàng)建樣條線時需要創(chuàng)建安全數(shù)組。在安全數(shù)組中存儲控制點類型的指針，然后用CreateSpline()函數(shù)創(chuàng)建樣條線，再用InsertControl-PointAfter()方法把ControlPoint2D類型的點附加到樣條上。還可以用AddNewSpine()方法直接創(chuàng)建空間曲線。利用這兩種方法生成的樣條曲線都能通過loft命令生成代表蒙皮的厚曲面，蒙皮可沿展向分段變厚度。 

3 實例

　　機翼的平面形狀可以是平直的（矩形、梯形）、后掠形、三角形。以上述機翼結(jié)構(gòu)參數(shù)化為基礎(chǔ)，表1給出了機翼結(jié)構(gòu)的平面尺寸數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)程序可以繪制出機翼的平面輪廓。其中，半展長L為機翼外漏部分的展長。

　　　為簡化以上實例數(shù)據(jù)，翼梁、長桁、翼肋等元件的截面假設(shè)為直線。通過運行翼面結(jié)構(gòu)快速設(shè)計軟件系統(tǒng)，程序調(diào)用CATIA軟件自動生成翼面結(jié)構(gòu)的三維模型。圖3所示翼面結(jié)構(gòu)CATIA數(shù)模為該軟件系統(tǒng)依據(jù)上述參數(shù)自動創(chuàng)建完成。

4 討論

　　軟件通過用戶輸入或模型讀取機翼平面參數(shù)，手動設(shè)置翼面各組成元件的個數(shù)、位置、截面控制參數(shù)，通過CATIA Automation二次開發(fā)方法，快速建立翼面結(jié)構(gòu)模型。在滿足翼面結(jié)構(gòu)設(shè)計精度的同時，參數(shù)化設(shè)計手段可以大大提高模型的生成和修改速度。軟件在開發(fā)過程中已經(jīng)集成了一些工程算法。這些算法通過合理地分配彎矩，結(jié)合穩(wěn)定性、最大應(yīng)力等約束條件的限制進行翼面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。后續(xù)工作可進一步改進和完善這些算法，開發(fā)出既滿足設(shè)計要求，又能快速建立翼面結(jié)構(gòu)模型的軟件，并通過機翼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計算例進行驗證。本翼面結(jié)構(gòu)快速設(shè)計軟件具有很明確的操作步驟，便于設(shè)計人員在未來飛機設(shè)計中使用。

5 結(jié)束語

　　以上算例表明，在對翼面結(jié)構(gòu)元件的參數(shù)化描述后，利用CATIA Automation二次開發(fā)方法可以自動生成翼面結(jié)構(gòu)模型。參數(shù)化設(shè)計方法實現(xiàn)了翼面結(jié)構(gòu)主要元件的快速布置和各元件尺寸的快速設(shè)計，提升了翼面結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力和設(shè)計水平，具有現(xiàn)實的工程意義和使用價值。

　　應(yīng)用CATIA Automation二次開發(fā)方法能夠快速、準確的建立參數(shù)化的翼面結(jié)構(gòu)模型。通過CATIA提供的二次開發(fā)接口，加上C++語言強大的編程效率和運行效率，幾乎所有的CATIA建模功能都可以用二次開發(fā)方法實現(xiàn)。參數(shù)化設(shè)計作為未來設(shè)計發(fā)展的方向，其集成化、模塊化的設(shè)計思想符合未來發(fā)展趨勢，可為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提供有力的設(shè)計手段。