A320飞机方向舵建模

摘 要：基于目前航空器组件的虚拟设计需求，对a320飞机方向舵提出了两种新的建模方法。一种是利用舵面点坐标数据并结合MATLAB编程及数据处理功能，拟合优化舵面轮廓曲线，将优化后的曲线导入CATIA填充获得舵面；另一种是以方向舵三视图为基础，利用CATIA的Part Design、Sketch Tracer及Generative Shape Design模块进行建模，并给出了具体步骤。所建模型可为飞机方向舵的教学及其性能分析和静力试验提供模型基础。提高教学质量和效果，培养学生的工程实践能力，同时分析虚拟模型能够提前预知可能存在的故障，及时采取相应措施，提高飞机安全性。

关键词：方向舵；建模；曲线拟合；三视图

中图分类号：N945.12 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.07.030

本文著录格式：[1]徐建新，宋丽娜.A320飞机方向舵建模[J].软件，2313，34（7）：84-87

0 引言

为提高学生工程实践能力，国家实施了卓越工程师教育培养计划，并加大实验室建设的力度。建立了A320方向舵实验室，实现飞机方向舵的虚拟化建模用于教学、试验。方向舵的可靠性对于整机安全贡献较大，而实体试验造价昂贵，利用软件进行建模虚拟分析不仅能减少试验费用，而且能提前预知方向舵可能存在的故障，及时采取相应措施，对航空事业意义重大。

利用MATLAB的拟合和CATIA图像处理功能可实现数据的批量化处理以及曲线生成。CATIA软件支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。在航空工业领域，空中客车公司、Pratt&Whitney、EADS、洛可西德·马丁、美国联合航空公司以及达索

航空等都选用了CATIA进行新产品设计[1，2]，大大提高了工作效率。建模是进行各种虚拟仿真分析的前提，本文针对A320方向舵提出两种建模方法，综合利用Matlab曲线拟合工具箱、EXCEL数据处理功能和CATIA的Part Design、Sketch Tracer及Generative Shape Design模块进行建模，并给出具体步骤，为方向舵的性能分析和静力试验提供模型基础。

2 软件介绍

MATLAB软件拥有专业的曲线拟合工具箱cftool ，使用方便，能实现多种类型的线性、非线性曲线拟合。具有完备的图形处理功能，可以实现计算结果和编程的可视化。

CATIA独特的曲面造型技术为复杂零部件的设计提供了先进、方便、快捷的手段，使设计更趋完美，设计周期越来越短，极大地提高了开发效率，因此广泛应用于航天、汽车等行业的复杂曲面造型设计中[3]。在航空业，CATIA 被应用于开发虚拟原型机，并成为包括Boeing飞机公司的Boeing 777 和737、Dassault 飞机公司的阵风战斗机、Bombardier飞机公司的Global Express 公务机等先进机型的主要设计软件之一。在Boeing 777项目中，公司应用CATIA设计了除发动机以外的100%的机械零件，并将包括发动机在内的100%的零件进行了预装配，与传统设计和装配流程相比较，节省了50%的重复工作和错误修改时间，从概念设计到最后调试运行成功实现了完全无纸化办公，展现了CATIA强大的用武之地。

3方向舵建模

3.1 方向舵简介

方向舵是安装在垂直尾翼后部可左右偏转的舵面，其作用是对飞机进行偏航操纵。A320飞机方向舵是作为一个组件制造的，安装到垂直安定面的后缘铰链臂上。方向舵铰链线落在垂直安定面和方向舵组件的70%线上，A320飞机能够偏转方向舵离中立位置每一侧最大30度，三个伺服控制组件控制方向舵的偏转[4]。方向舵用来修正飞机航向，主要用于角度较小的转向。其操纵原理是当飞机需要左转飞行时，驾驶员就会操纵方向舵向左偏转，此时方向舵所受到的气动力就会产生一个使机头向左偏转的力矩，飞机的航向也随之改变。

方向舵舵面壳体由碳纤维增强塑料（CFRP）的层板制成。舵面建模主要有以下两种方法：一是MATLAB曲线拟合舵面建模；二是三视图建模方法，下面将分别进行介绍。

3.2 曲线拟合舵面建模方法

在没有得到方向舵三视图的情况下，可以利用MATLAB曲线拟合的方法进行建模。

4. 进入曲线拟合工具箱，将line style选为solid形式，利用exclude模块去除曲线上异常点，从file中选择Generate M-file，将主程序输入到command window，在figure窗口生成光滑曲线，选择查看模式为scatter，如图3所示。

5. 将得到的光滑曲线上的坐标输出到EXCEL表格，用同样的步骤可以得到另一侧截面曲线坐标，并输入到CATIA安装位置里的EXCEL文件GSD_PointSplineLoftFromExcel中，插入到StartCurve与EndCurve之间，回到CATIA，把文件创建好，将工作光标设定到几何图形集，（不能设到实体）然后回到EXCEL，运行工具--宏--宏--Feuil1.main，点击执行程序。弹出对话框，用键盘输入1，2，3任意一个数（第一是全点，第二样条线，第三扫描面），再回到CATIA，曲线创建完毕，如图4所示。

6. 利用填充的方法将得到的截面线进行曲面成型，得到如图5所示舵面，之后利用创成式曲面设计中的镜像功能得到另一侧舵面。

3.3 三视图建模方法及步骤

上述方法同时用到MATLAB、EXCEL和CATIA软件，步骤比较复杂，下面将引入另外一种舵面建模方法，该方法将完全利用CATIA软件进行建模。由于是建立在方向舵三视图的基础上，因此，应先通过查阅手册等方法获得方向舵三视图，然后通过以下步骤进行建模。

1. 视图处理工作：选择舵面的中心面作为主视图所在平面，实际飞行过程中与机翼水平方向相连的部分作为左视图，垂直方向相连的部分作为俯视图。编辑三视图，分别使方向舵各视图处于最小的方框中且单独作为一个文件，以方便图片导入过程中坐标系的选择。

2. 在CATIA中新建产品，从开始菜单中选择形状--Sketch Tracer，将快速查看方式改为俯视图，视图模式改为含材料着色。在主界面中点击右侧Create an Immersive Sketch图标，在出现的对话框中选择编辑好的俯视图文件。由于俯视图中存在对称中心线，便于确定坐标轴，因此首先插入俯视图。移动定位箭头，将俯视图中心线作为y轴，轴上最左侧点作为原点，移动内侧上下左右方向箭头，使之处于图片所在最小框中。然后进行尺寸更改，只需改动一个轴向尺寸即可。

3. 进入零件设计界面，利用俯视图上舵面线，建立一侧舵面所在平面使之垂直于俯视图，然后将快速查看方式先后改为主视图和左视图。继续进入Sketch Tracer界面，用同样的方法插入主视图和左视图文件，坐标系选择应与俯视图一致。

4. 定位后进行几何建模，借助主视图，在方向舵舵面所在平面上进行零件草图设计，最终的草图模型应该是全约束的模型[5]。同时兼顾俯视图及左视图，建立参考平面和引导曲线，在创成式曲面设计中利用扫掠等功能进行曲面成形，完成单个舵面的建模。然后以此舵面为原始元素，xz平面为对称面，对单个舵面进行对称操作完成整个方向舵舵面建模。如图6所示。

5. 最后，对所建模型施加材料。有的航天类飞机垂尾上覆盖一层可重复使用的绝热材料[6]，需要在施加材料后再次进行渲染定义，而本文是A320飞机方向舵，只需在舵面上施加一层材料—碳纤维增强塑料即可。

4 总结

本文第一种方法建模过程中综合利用了MATLAB的曲线拟合功能、EXCEL及CATIA联合建模的功能，主要适用于舵面存在且可以实际测量的情况；第二种方法同时运用CATIA的零件设计、创成式外形设计等多个模块进行建模，对于舵面的形状有较大精确性，主要应用于实际舵面不存在但其三视图可以通过查阅手册等得到的情况。文中所建方向舵模型可做为方向舵内部结构建模、装置的教学和试验、加载分析和改善设计的基础，可以提高教学质量及方向舵实际维修效率和准确率，对机以及其他机械零件的建模同样具有指导意义。

参考文献

[1] 赵云波， 鲁君尚等. CATIA V5基础教程[M].北京： 人民邮电出版社， 2007.

[2] 王帅， 齐晓慧. 基于CATIA的涵道风扇无人机三维建模[J]. 计算机技术与发展， 2011，21（5）： 187～194.

[3] 盛选禹. CATIA三维模型入门与提高[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

[4] 王彪. 方向舵静力试验方案设计[D]. 天津：中国民航大学， 2013.

[5] 吉晶晶. 基于CATIA的飞机钣金特征自动化建模技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学， 2012.

[6] Pappa R S， James G H， Zimmerman D C. Autonomous Modal Identification of the Space Shuttle Tail Rudder[J]. JOURNAL of SPACECRAFT AND ROCKETS， 1998， 35（2）： 163-169.