基于逆向设计的飞机腹部整流罩设计*

范欢欢， 刘韶光，王宏旭

(中国飞行试验研究院, 陕西 西安 710089)

1 引 言

随着我国低空开放程度的不断提高和摄影技术的不断发展，航空摄影技术在地图测绘、线路选取、海洋监测、国民经济建设、军事和科学研究等方面得到广泛的应用。继计算机技术和飞机设计技术的不断发展，三维数字化设计已经成为航空产品的主要设计途径。在通用飞机上进行航空摄影系统改装是进行航拍的必要条件；选取合适的相机改装位置并拥有该处的飞机外形曲面是进行飞机改装结构三维数字化设计的前提条件。由于目前能进行航拍任务改装的通航飞机基本都是进口飞机，在缺乏相关图纸资料的前提下，如何有效的进行基于原机外形曲面的三维数字化设计，缩短设计周期，提高设计效率成为实际工作中亟待解决的问题。

逆向工程是指从实物样件获取产品数学模型、进而开发出同类的先进产品的技术[1]。飞机外形逆向设计是指在没有图纸或相关资料比较少的前提下，通过三维逆向测量设备采集飞机的表面点云数据，应用一系列的逆向点云数据处理方法最终获取物体数字化模型的过程。

逆向工程是快速实现飞机外形曲面数字化的主要途径。与传统的割板取样方法相比，基于激光测绘的三维数字化扫描不仅效率高而且点云精度高，能大大提高设计效率，优化设计模型。

2 飞机逆向工程流程

飞机逆向工程的一般流程如图1所示。飞机逆向工程是指以已有的飞机为目标，应用非接触式三维数字化采集设备获取飞机的表面点云数据，依据逆向设计软件重构外形曲面，再通过三维设计软件完成基于重构曲面模型的外形设计、结构设计、分系统设计等步骤并投入生产制造的过程[2]。

图1 飞机逆向工程的一般流程

在飞机外形曲面点云采集过程中通过激光扫描仪获取的点云数据一般是以*.ASC格式输出。数据过滤的目的是去除与构建外形曲面无关的点和由于扫描设备的误操作而采集的跳点。经过过滤的点云数据需要在逆向设计软件下将其转换为三角面片格式，这样的数据格式视觉效果明显，很容易看出飞机外形上的突出物和蒙皮搭接区域。数据分块是将大量的点云数据依照蒙皮或飞机结构外形曲率变化趋势将点云分解为容易进行逆向设计的区域，分别进行逆向设计。

曲线是构建曲面的基础框架，构建曲线是指根据划分的点云区域数据，在逆向设计软件中，应用相关的命令构建截面线，再由截面线构造外形曲面。当采集的点云数据能均匀的分布在已构造的曲面的两侧并应用光照、斑马线分析、曲率分析等检测达到设计要求时，表示该曲面构造工作阶段的完成。在逆向设计过程中由曲线构造曲面的过程是一个不断往复、调整和修改的过程，所需要的逆向设计技巧很多，需要在实践中根据不同的实际情况采用相应的逆向设计方法进行处理以达到满意的效果。

基于构造的飞机外形曲面的外形改型设计、结构设计属于逆向工程中的后续设计阶段，与传统的基于三维设计软件的正向设计基本相同，这里不再赘述。根据设计结果完成零部件的生产制造和飞机上施工工作才是一个完整的逆向工程的过程。

3 飞机腹部整流罩设计实例

赛斯纳208B是单发涡桨多用途飞机，以其优良性能、高可靠性、高适应性和低运营成本，成为世界通用航空界最流行的可以改装成航拍系统的小型飞机。将该飞机改装成航拍飞行器可给通航企业带来十分可观的经济效益。

根据飞机改装任务、使用说明书和自身结构条件，选择在飞机机身腹部与行李舱尾部交联部位进行航空摄影相机的改装。由于相机改装窗口的位置需要凸出机身，则需要拆除原机腹部的设备舱尾部整流罩，重新设计整流罩为相机窗口留出改装空间。因缺乏飞机的三维数字化模型及相关资料和图纸，拟采用逆向设计方法完成机身腹部局部曲面的模型逆向重建。

3.1 机身点云数据采集

逆向工程测量方式分为接触式和非接触式两种[3]。由于新设计的飞机行李舱尾部整流罩的后端位置已经限定如图2所示，故采用非接触式激光扫描仪从行李舱整流罩罩体前搭接位置扫描至结束位置(照相窗口的前端)，获取该处的点云数据。所获取的点云数据是以*.ASC格式输出，需要在逆向软件里将其转换为*.STL格式。由于设置的扫描点距比较密，所以从扫描的点云上可以很清楚的分辨出铆钉及蒙皮搭接对缝位置如图3所示。

图2 飞机行李舱整流罩位置示意图 图3 采集的飞机腹部点云及局部放大图

3.2 机身曲面的构建

采集的点云数据经过数据过滤、数据分块等逆向设计步骤后开始构建NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)基础曲线，依据基础曲线构造机身曲面。从图4中可看出点云数据能够均匀的分布在所构造的曲面两侧，表示该曲面能与机身点云数据完全拟合，可以此为依据进行整流罩的三维数字化设计工作，从而保证所设计的整流罩与行李舱前端及机身具有良好的装配性能。

图4 逆向构造的机身腹部外形曲面

3.3 整流罩的设计

依据拟合的机身曲面外形数字化模型和整流罩的安装位置等限制条件设计飞机腹部行李舱尾部整流罩如图5所示。整流罩由前端的矩形逐渐过渡为圆形并收尾至机身，其气动外形符合飞机设计的通用要求。整个罩体的上边缘设计了安装法兰边，能与原机身曲面良好接触，并能满足设计要求。

图5 基于逆向设计的行李舱整流罩外形图

4 结 语

将逆向设计和三维数字化设计应用于塞斯纳208B腹部行李舱尾部整流罩的中，可提高该机的改装效率和装配精度，获得了令人满意的设计结果，对后续的生产制造影响意义十分深远。在不久的将来，随着飞机逆向设计改装技术的不断发展以及推动通用航空产业发展的政策和措施不断推出，我国通航飞机航拍改装业务将会取得突破性的发展。

参考文献:

[1] 金 涛,陈建良,童水光. 逆向工程技术研究进展[J]. 中国机械工程,2002(16):1430-1436.

[2] 张德海, 梁 晋. 逆向工程的流程研究和基于Geomagic的实例应用[J].机械研究与应用,2008(3):106-108.

[3] 冯祖军,朱冒冒,姜振春,等. 复杂曲面数字化检测方法的研究[J].机械与电子,2004(12):42-45.