论文部分内容阅读
摘 要：针对导弹传统几何建模方法效率低下的问题，本文提出了导弹的参数化建模方法。导弹的参数化主要分为两个方面，一是各关键部位的参数化，主要包括弹身，弹翼，舵面的参数化等；二是各部位之间关系的参数化，主要有弹翼与弹身之间的相对关系及舵面与弹身之间的相对关系。通过各个部位模型的参数化以及各个部位间相互关系的参数化，完成导弹全弹模型的建立。本文得出的结果可以为导弹多学科优化设计提供服务，大大提高优化设计的效率。
关键词：导弹；参数化；CATIA
引言
导弹几何模型的创建，是导弹总体设计中一个重要的环节。在概念设计阶段，如何提高建模的效率，快速生成導弹几何模型是一个必须解决的问题。传统几何建模大多采用手工绘制方法，设计周期长，工作量大，重复工作多。而参数化方法通过尺寸驱动的方式，以独立的几何约束条件按既定的几何参数生成一系列具有相似几何特征模型，大大提高了效率。在现代CAD技术的支持下，参数化建模已成为了解决快速建模问题的有效方法。
1 导弹模型参数化简介
常见的导弹几何模型主要可以分为两大类，一类是旋转体导弹，如X-59M导弹、红宝石隐身导弹等；另一类是不规则外形导弹，如JASSM导弹、AGM-129A导弹；两类导弹具有相似的翼面，而弹身形状不同。如图1（a）～（d）为不同的导弹示意图。
（a） X-59M导弹 （b） 红宝石隐身导弹
（c） JASSM导弹 （d） AGM-129A导弹
图1不同外形的导弹
通常情况下，分别对弹翼、弹身、舵面三个部分进行建模后，将该三个部位按实际模型的布局关系组合起来，即可完成整个导弹模型的创建。本文将针对上述两类不同几何外形的导弹，分别进行参数化。如图2为本文所研究导弹外形。
（a）旋转体导弹几何模型 （b）非旋转体导弹几何模型
图2 参数化导弹模型
2 弹翼参数化方法
弹翼的布局特性及形状直接影响导弹的多项性能，选取合适的方法进行弹翼的参数化建模，可获得连续光滑的弹翼几何外形，从而获得良好的弹翼三维模型，以便进行更高精度的仿真分析计算及优化。
弹翼的参数化分为翼型和弹翼平面的参数化两个部分。本文使用标准翼型，而采用特征参数法对弹翼平面进行参数化。导弹常用的弹翼平面形状如图3中（a）～（e）所示。
（a）平直翼 （b）梯形翼 （c）后掠翼 （d）三角翼 （e）切尖翼
图3 弹翼平面形状
通常情况下，飞行器所使用的弹翼主要为两段翼和单段翼。如图4（a）、（b）所示。
（a） 两段弹翼
（b） 单段弹翼
图4 不同弹翼示意图
两段弹翼多用于民用飞行器。而单段弹翼常用于导弹，战斗机等飞行器。本文对单段弹翼进行参数化（两段弹翼只需在此基础上增加参数即可），所选参数为：半展长L，根弦长Croot，梢根比k或梢弦长Ctip，后掠角αwing和上反角β。其中Croot、k、Ctip之间的关系为：k=Ctip/Croot，所以只需知道其中任意两个即可。
3 舵面的参数化
舵面的参数化方法与弹翼的参数化方法类似，但由于不同的导弹，通常舵面数量和布局形式不同。目前常用的舵面数量有三片舵，四片舵，六片舵，八片舵等，而常用的舵面布局形式亦有多种。所以在进行舵面参数化时，在弹翼参数化基础上还需要定义参数确定舵面的数量及布局形式，将舵面与弹身相结合，完成舵面的参数化。图5为不同舵面布局示意图。
（a） “十”型 （b） “×”型 （c） “⊥”型 （d） “Τ”型
图5 不同舵面布局示意图
综上所述，进行舵面的参数化，需要4个弹翼平面形状参数：舵面半展长Lt，舵面根弦长Ct-root，舵面梢根比kt或梢弦长Ct-tip，舵面后掠角αtail、一个弹翼布局参数at及一个弹翼数量参数nt。
4 弹身参数化
通常情况下，旋转体弹身只需对其纵向轮廓线进行参数化，然后通过旋转拉伸方法即可完成建模；而对于不规则的弹身，则需分别对弹身截面和纵向轮廓进行参数化。通过多个关键截面上弹身的截面形状及弹身的纵向轮廓曲线可以创建整个弹身。
本文导弹头部曲线及尾部曲线选用抛物线，弹身为直线段。图6所示为弹身轴向轮廓参数化示意图。
图6 弹身轴向轮廓参数化示意图
其中，φt为尾喷口直径、Lh为弹头长、Lt为弹尾长、Lb为弹身长度。对于不规则弹身（本文研究导弹弹身为圆角梯形截面，如图7），还需进行弹身截面的参数化。
图7 梯形轮廓参数化示意图
图7中采用6个参数描述弹身截面：Lup为上底边长、Lb表示下底边长、H为梯形高、Ru为上圆角半径、Rb为下圆角半径、αside为侧边倾斜角。其中Lup、Lb、H和αside之间关系为：
本文对圆角梯形进行参数化所选参数为：梯形高度H，上圆角半径Ru，下圆角半径Rb，侧边斜度αside和上底边长度Lup。
由此可知，不规则弹身的参数化，只是在旋转体弹身参数化的基础上增加了弹身截面的参数化。
5 全局参数
通过以上所介绍的参数可以确定导弹各个部位的形状，但是只有孤立的导弹部件，并不能将整个导弹的布局形式进行确定，还需要额外的参数确定导弹各部位的相互关系。本文选取图8中，A点（弹翼前缘点）及B点（舵面前缘点）在坐标系oxyz下的绝对坐标xa、ya、za及xb、yb、zb作为全局参数，以此来分别确定弹翼与弹身的相互关系及舵面与弹身的相互关系。
图8 全局参数控制点
6 导弹参数化建模 本文通过对CATIA进行二次开发，在VB环境下编写程序驱动CATIA进行建模，其流程图如图9所示。
6.1 导弹参数化几何模型创建
本文分别针对旋转体导弹及圆角梯形弹身导弹进行建模，其过程如下：
1） 弹身模型创建
a. 不规则弹身模型创建
① 创建彈身头部、弹身前段，弹身中段，弹身后段及弹身尾部5个关键位置的弹身截面曲线，然后创建弹身纵向轮廓曲线。图10为所创建的图线模型。
② 使用CATIA曲面设计工具完成弹身模型的创建，如图11所示为所创建的弹身模型。
b. 旋转体弹身模型创建
旋转体导弹弹身的建模，只需完成弹身纵向轮廓的建模后，通过CATIA旋转拉伸形成曲面即可完成模型的创建，如图12所示为创建的旋转体弹身几何模型。
图11 导弹弹身几何模型示意图 图12 旋转体导弹弹身示意图
2）弹翼几何模型建立
弹翼几何模型建立亦可分为三个步骤：
① 弹翼翼型的创建
② 弹翼轮廓的创建
③ 弹翼几何模型的创建
本文通过CATIA云形线连接翼型坐标点的方法来获取近似翼型曲线。弹翼翼型本文选用NACA4412，而舵面翼型本文选用NACA77A。根据前述弹翼与弹身之间的全局参数，将所建立的弹翼与弹身模型结合在一起，得到如图13所示的翼身结合体模型。
（a）不规则外形 （b）旋转体
图13 翼身结合体几何模型示意图
3）舵面几何模型的建立
单个舵面模型的创建与弹翼模型创建过程相同。而进行完单个舵面模型创建后，通过参数at及nt即可完成舵面模型的创建。如图19所示为建立的“X”型舵面。输入不同参数，通过参数化程序可获得不同的导弹模型，如图20所示。
7 结论
本文对两类导弹分别进行了参数化几何建模方法的研究，采用基于CATIA二次开发的方法对两类不同外形的导弹进行了参数化建模。本文研究的参数化方法，使通过修改参数完成旋转体导弹和圆角梯形导弹快速建模成为了可能，大大提高了设计阶段几何建模的效率，为导弹总体设计优化提供了技术基础。
参考文献
[1] 廖炎平， 刘莉， 王嘉博. 无人机外形参数化建模及CATIA二次开发[J]. 弹箭与制导学报. 2011.10， Vol 31，No. 5. 68-74.
[2] 左志成， 段卓毅， 陈迎春. 运输类飞机翼身组合体参数化及快速气动力计算研究[J]. 空气动力学学报. 2006， 24（2）： 246-249.
[3] 金海波， 丁运亮. 飞机概念设计中的外形参数化模型的研究[J]. 南京航空航天大学学报. 2003， 35（5）： 540-544.
[4] 孙中涛. CATIA曲面造型技术在小型无人机设计中的应用[J]. 工程图学学报. 2007， （1）： 14-17.
[5] 谢岳峰， 余雄庆. 基于CATIA二次开发的飞机外形参数化设计[J]. 计算机工程与设计. 2008， 29（14）： 3792-3794.
作者简介：
周超，男，航天科工十院十部导弹总体设计研究室设计师。
关键词：导弹；参数化；CATIA
引言
导弹几何模型的创建，是导弹总体设计中一个重要的环节。在概念设计阶段，如何提高建模的效率，快速生成導弹几何模型是一个必须解决的问题。传统几何建模大多采用手工绘制方法，设计周期长，工作量大，重复工作多。而参数化方法通过尺寸驱动的方式，以独立的几何约束条件按既定的几何参数生成一系列具有相似几何特征模型，大大提高了效率。在现代CAD技术的支持下，参数化建模已成为了解决快速建模问题的有效方法。
1 导弹模型参数化简介
常见的导弹几何模型主要可以分为两大类，一类是旋转体导弹，如X-59M导弹、红宝石隐身导弹等；另一类是不规则外形导弹，如JASSM导弹、AGM-129A导弹；两类导弹具有相似的翼面，而弹身形状不同。如图1（a）～（d）为不同的导弹示意图。
（a） X-59M导弹 （b） 红宝石隐身导弹
（c） JASSM导弹 （d） AGM-129A导弹
图1不同外形的导弹
通常情况下，分别对弹翼、弹身、舵面三个部分进行建模后，将该三个部位按实际模型的布局关系组合起来，即可完成整个导弹模型的创建。本文将针对上述两类不同几何外形的导弹，分别进行参数化。如图2为本文所研究导弹外形。
（a）旋转体导弹几何模型 （b）非旋转体导弹几何模型
图2 参数化导弹模型
2 弹翼参数化方法
弹翼的布局特性及形状直接影响导弹的多项性能，选取合适的方法进行弹翼的参数化建模，可获得连续光滑的弹翼几何外形，从而获得良好的弹翼三维模型，以便进行更高精度的仿真分析计算及优化。
弹翼的参数化分为翼型和弹翼平面的参数化两个部分。本文使用标准翼型，而采用特征参数法对弹翼平面进行参数化。导弹常用的弹翼平面形状如图3中（a）～（e）所示。
（a）平直翼 （b）梯形翼 （c）后掠翼 （d）三角翼 （e）切尖翼
图3 弹翼平面形状
通常情况下，飞行器所使用的弹翼主要为两段翼和单段翼。如图4（a）、（b）所示。
（a） 两段弹翼
（b） 单段弹翼
图4 不同弹翼示意图
两段弹翼多用于民用飞行器。而单段弹翼常用于导弹，战斗机等飞行器。本文对单段弹翼进行参数化（两段弹翼只需在此基础上增加参数即可），所选参数为：半展长L，根弦长Croot，梢根比k或梢弦长Ctip，后掠角αwing和上反角β。其中Croot、k、Ctip之间的关系为：k=Ctip/Croot，所以只需知道其中任意两个即可。
3 舵面的参数化
舵面的参数化方法与弹翼的参数化方法类似，但由于不同的导弹，通常舵面数量和布局形式不同。目前常用的舵面数量有三片舵，四片舵，六片舵，八片舵等，而常用的舵面布局形式亦有多种。所以在进行舵面参数化时，在弹翼参数化基础上还需要定义参数确定舵面的数量及布局形式，将舵面与弹身相结合，完成舵面的参数化。图5为不同舵面布局示意图。
（a） “十”型 （b） “×”型 （c） “⊥”型 （d） “Τ”型
图5 不同舵面布局示意图
综上所述，进行舵面的参数化，需要4个弹翼平面形状参数：舵面半展长Lt，舵面根弦长Ct-root，舵面梢根比kt或梢弦长Ct-tip，舵面后掠角αtail、一个弹翼布局参数at及一个弹翼数量参数nt。
4 弹身参数化
通常情况下，旋转体弹身只需对其纵向轮廓线进行参数化，然后通过旋转拉伸方法即可完成建模；而对于不规则的弹身，则需分别对弹身截面和纵向轮廓进行参数化。通过多个关键截面上弹身的截面形状及弹身的纵向轮廓曲线可以创建整个弹身。
本文导弹头部曲线及尾部曲线选用抛物线，弹身为直线段。图6所示为弹身轴向轮廓参数化示意图。
图6 弹身轴向轮廓参数化示意图
其中，φt为尾喷口直径、Lh为弹头长、Lt为弹尾长、Lb为弹身长度。对于不规则弹身（本文研究导弹弹身为圆角梯形截面，如图7），还需进行弹身截面的参数化。
图7 梯形轮廓参数化示意图
图7中采用6个参数描述弹身截面：Lup为上底边长、Lb表示下底边长、H为梯形高、Ru为上圆角半径、Rb为下圆角半径、αside为侧边倾斜角。其中Lup、Lb、H和αside之间关系为：
本文对圆角梯形进行参数化所选参数为：梯形高度H，上圆角半径Ru，下圆角半径Rb，侧边斜度αside和上底边长度Lup。
由此可知，不规则弹身的参数化，只是在旋转体弹身参数化的基础上增加了弹身截面的参数化。
5 全局参数
通过以上所介绍的参数可以确定导弹各个部位的形状，但是只有孤立的导弹部件，并不能将整个导弹的布局形式进行确定，还需要额外的参数确定导弹各部位的相互关系。本文选取图8中，A点（弹翼前缘点）及B点（舵面前缘点）在坐标系oxyz下的绝对坐标xa、ya、za及xb、yb、zb作为全局参数，以此来分别确定弹翼与弹身的相互关系及舵面与弹身的相互关系。
图8 全局参数控制点
6 导弹参数化建模 本文通过对CATIA进行二次开发，在VB环境下编写程序驱动CATIA进行建模，其流程图如图9所示。
6.1 导弹参数化几何模型创建
本文分别针对旋转体导弹及圆角梯形弹身导弹进行建模，其过程如下：
1） 弹身模型创建
a. 不规则弹身模型创建
① 创建彈身头部、弹身前段，弹身中段，弹身后段及弹身尾部5个关键位置的弹身截面曲线，然后创建弹身纵向轮廓曲线。图10为所创建的图线模型。
② 使用CATIA曲面设计工具完成弹身模型的创建，如图11所示为所创建的弹身模型。
b. 旋转体弹身模型创建
旋转体导弹弹身的建模，只需完成弹身纵向轮廓的建模后，通过CATIA旋转拉伸形成曲面即可完成模型的创建，如图12所示为创建的旋转体弹身几何模型。
图11 导弹弹身几何模型示意图 图12 旋转体导弹弹身示意图
2）弹翼几何模型建立
弹翼几何模型建立亦可分为三个步骤：
① 弹翼翼型的创建
② 弹翼轮廓的创建
③ 弹翼几何模型的创建
本文通过CATIA云形线连接翼型坐标点的方法来获取近似翼型曲线。弹翼翼型本文选用NACA4412，而舵面翼型本文选用NACA77A。根据前述弹翼与弹身之间的全局参数，将所建立的弹翼与弹身模型结合在一起，得到如图13所示的翼身结合体模型。
（a）不规则外形 （b）旋转体
图13 翼身结合体几何模型示意图
3）舵面几何模型的建立
单个舵面模型的创建与弹翼模型创建过程相同。而进行完单个舵面模型创建后，通过参数at及nt即可完成舵面模型的创建。如图19所示为建立的“X”型舵面。输入不同参数，通过参数化程序可获得不同的导弹模型，如图20所示。
7 结论
本文对两类导弹分别进行了参数化几何建模方法的研究，采用基于CATIA二次开发的方法对两类不同外形的导弹进行了参数化建模。本文研究的参数化方法，使通过修改参数完成旋转体导弹和圆角梯形导弹快速建模成为了可能，大大提高了设计阶段几何建模的效率，为导弹总体设计优化提供了技术基础。
参考文献
[1] 廖炎平， 刘莉， 王嘉博. 无人机外形参数化建模及CATIA二次开发[J]. 弹箭与制导学报. 2011.10， Vol 31，No. 5. 68-74.
[2] 左志成， 段卓毅， 陈迎春. 运输类飞机翼身组合体参数化及快速气动力计算研究[J]. 空气动力学学报. 2006， 24（2）： 246-249.
[3] 金海波， 丁运亮. 飞机概念设计中的外形参数化模型的研究[J]. 南京航空航天大学学报. 2003， 35（5）： 540-544.
[4] 孙中涛. CATIA曲面造型技术在小型无人机设计中的应用[J]. 工程图学学报. 2007， （1）： 14-17.
[5] 谢岳峰， 余雄庆. 基于CATIA二次开发的飞机外形参数化设计[J]. 计算机工程与设计. 2008， 29（14）： 3792-3794.
作者简介：
周超，男，航天科工十院十部导弹总体设计研究室设计师。