一种飞机容积和表面积计算系统及方法

1.本发明涉及一种飞机容积和表面积计算系统及方法，能够实现对一般飞机模型的切分，然后通过程序快速计算出复杂飞机模型的体积和表面积。


背景技术：

2.飞机容积、表面积是飞机总体设计的重要参数之一。根据飞机总体布置的要求，容积是客舱布置、货舱布置、载油量、环控等方面的重要指标，影响飞机在以上各个方面的表现。同样的，计算飞机表面积可以估算全机的浸润面积、全机摩擦力和气动力的大小，进而得到飞机的性能数据。因此，飞机的设计、验证需要准确计算其容积和表面积来提供支撑。
3.然而，计算工作通常由总体专业人员根据外形专业的输入处理完成，通常的做法是：总体专业人员获取外形模型后，进行模型曲面检查、缝合，并以此为基础结合切分站位，将所处站位间的外形部件封装成实体，并通过catia计算功能获得容积、表面积。这种处理方式通常会带来如下问题：
4.(1)初始外形有缺陷，不能直接进行体生成，需要大量手工曲面缝合处理；
5.(2)总体专业人员对catia的熟练程度不够，曲面缝合费时费力；
6.(3)以上问题导致计算效率低，而在飞机设计、验证过程中通常需要多次进行迭代计算。
7.为此，针对外形曲面有缺陷、总体专业人员catia使用程度不高、计算效率低的问题，开发基于外形离散的飞机容积、表面积快速计算工具，该工具可有效避免外形曲面缺陷所带来的计算问题，大大降低对catia软件的使用要求以及提升计算效率。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是：克服传统软件计算容积和表面积对模型的高要求，提供一种飞机容积和表面积计算系统及方法，能够快速计算飞机容积和表面积。
9.本发明技术解决方案如下：
10.本发明的一种飞机容积和表面积计算系统，包括：切分模块、计算模块；切分模块为基于vba语言开发的能够运行在catia软件内部的宏插件，能够完成对飞机数字模型的切分，并对断裂的曲线进行缝合，得到飞机切分截面的面积和周长，最后将切分截面的数据以文件夹的形式保存；计算模块验证飞机切分截面的数据是否达到精度要求，在达到精度要求的情况下对切分截面的数据进行积分处理和计算，得到飞机模型的容积和表面积。
11.所述计算出的飞机模型的容积和表面积精度能达到0.05％的要求。
12.所述切分模块具体实现如下：
13.首先，建立两个相互平行的平面为初始平面，然后根据输入的切分精度要求在两初始平面间进行等距划分得到占位点，占位点上生成与初始平面平行的平面与被切模型相交，得到一系列曲线，再对每一条曲线进行缝合得到连续曲线，将这些曲线的数据以文件夹的形式保存下来。
14.本切分模块的创新性体现在：
15.(1)初始平面设置灵活多变。初始平面可以在任意方向和任意位置，因此，计算目标可以任意设置，不管是飞机的某一段，还是某个部件，都能快速切分后计算。
16.(2)切分精度可调。切分模块的切分份数能根据需求随意调整，对时间要求高可以降低切分份数；对精度要求高可以提高切分份数。
17.(3)对飞机模型要求低。当前工业界计算模型容积的主流方法要求模型曲面连续、不能有过多碎面等等，本模块对模型无上述特殊要求，能够快速得到切分结果方便后续计算。
18.(4)切分过程简单快捷。切分模块已经被封装成能够运行在catia软件上的宏插件，使用时导入插件后直接运行即可。
19.所述计算模块具体实现如下：
20.根据前面模型切分结果，能得到需要计算容积的部段站位分别为ns和ne，ns-站位起始位置，ne-站位终止位置，相当于计算ns和ne之间的部件容积；在ns和ne中间插入m个剖面，从而共有m 2个剖面，即把需要计算的部段分成了m 1份，则ns和ne之间的容积为：
[0021][0022]
其中，v为部段间总容积；δl为相邻两个截面之间的间距；si为第i个截面面积。si通过对所切分截面所在的曲线进行处理获得，假定第i个截面共有k条曲线组成(外形中的每个与该站位面相交的曲面都会产生一条曲线)，在计算时先将k条曲线连接成封闭多边形，并以此为基础通过截面矢量积分获得面积；
[0023]
ns和ne之间的表面积为：
[0024][0025]
其中，s为部段间总侧面积；δl为相邻两个截面之间的间距；li为第i个截面面积；li通过对所切分截面所在的曲线进行处理获得，假定第i个截面共有k条曲线组成(外形中的每个与该站位面相交的曲面都会产生一条曲线)，在计算时先将k条曲线连接成封闭多边形，并以此为基础通过catia内置计算功能得到曲线周长。
[0026]
本计算模块的创新性在于：
[0027]
(1)使用积分计算。传统容积表面积计算方法将模型近似转化为易计算的规则几何体再计算，这样会导致模型精度缺失，计算结果不准确。本方法能够将模型截面信息完全利用起来，依此得到高精度的计算结果。
[0028]
(2)计算过程方便快捷。本发明将计算模块封装为一个exe程序,只需要导入模型切分文件夹就能快速得到容积、表面积结果以及计算时的中间数据。
[0029]
(3)计算结果易存储。计算过程数据和结果能通过导出表格保存，方便后续查看核实。
[0030]
本发明的飞机容积和表面积计算系统的方法，包括以下步骤：
[0031]
步骤s1、切分模块输入：需要选定切分的两个初始平面、切分份数，其中初始平面决定被计算模型的范围和计算方式，机身类部件推荐初始平面平行于yz平面，机翼类部件
推荐初始平面平行于xz平面，垂尾类部件推荐初始平面平行于xy平面；切分份数决定切分精度，对时间要求高可以降低切分份数，对精度要求高可以提高切分份数。
[0032]
步骤s2、切分模块运行：切分模块能够根据输入的两个初始占位平面和切分份数，得到在两平面间一系列等距占位点，占位点上会生成与初始平面平行的平面与被切模型相交，得到一系列曲线，然后对每一条曲线进行缝合得到连续曲线，再将这些曲线的数据以文件夹的形式保存下来。
[0033]
步骤s3、计算模块运行：根据前面模型切分结果，能得到需要计算容积的部段站位分别为ns、ne(ns-站位起始位置，ne-站位终止位置，相当于计算ns和ne之间的部件容积)，在ns和ne中间插入m个剖面，从而共有m 2个剖面，相当于把需要计算的部段分成了m 1份，则ns和ne之间的容积为：
[0034][0035]
其中，v为部段间总容积；δl为相邻两个截面之间的间距；si为第i个截面面积。si通过对所切分截面所在的曲线进行处理获得，假定第i个截面共有k条曲线组成(外形中的每个与该站位面相交的曲面都会产生一条曲线)，在计算时先将k条曲线连接成封闭多边形，并以此为基础通过截面矢量积分获得面积：
[0036]
ns和ne之间的表面积为：
[0037][0038]
其中，s为部段间总侧面积；δl为相邻两个截面之间的间距；li为第i个截面面积。li通过对所切分截面所在的曲线进行处理获得，假定第i个截面共有k条曲线组成(外形中的每个与该站位面相交的曲面都会产生一条曲线)，在计算时先将k条曲线连接成封闭多边形，并以此为基础通过catia内置计算功能得到曲线周长；
[0039]
计算结果能够通过表格的形式导出保存，方便后续的复用和对比。
[0040]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0041]
(1)对所切分模型要求低。模型表面有碎面，裂缝等缺陷均不影响计算，不需要专业的建模人员对模型进行调整。
[0042]
(2)计算方式快速便捷，方便工程师迭代运算时重复计算。
[0043]
(3)计算时能自行调节精度。当对计算时间有要求时，可以降低切分数量；当对计算精度有要求时，可以增加切分数量。
[0044]
(4)切分和计算结果均能保存在电子文件中，方便后续溯源。
[0045]
(5)计算精度高，根据圆柱体计算结果能达到0.05％的精确度。
[0046]
(6)计算工具简单易用。只需在catia软件平台上安装相关插件即可立即使用。
附图说明
[0047]
图1为整个程序运行流程；
[0048]
图2为半圆柱体切分结果；
[0049]
图3为半圆柱体计算结果；
[0050]
图4为某飞机多次切分结果；
[0051]
图5为进入宏管理演示；
[0052]
图6为新建catia宏库演示；
[0053]
图7为选择vba项目演示；
[0054]
图8为设置初始平面演示；
[0055]
图9为选择计算对象演示；
[0056]
图10为调用切分模块演示；
[0057]
图11为设置切分份数演示；
[0058]
图12为切分数据点；
[0059]
图13为切分结果文件；
[0060]
图14为计算结果示例。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0062]
如图1所示，本发明系统由切分模块1和计算模块2组成。
[0063]
(1)切分模块
[0064]
切分模块为基于vba语言开发的能够运行在catia软件内部的宏插件，能够完成对飞机数字模型的切分，并对断裂的曲线进行缝合，得到飞机切分截面的面积和周长最后将切分截面的数据以文件夹的形式保存。
[0065]
(2)计算模块
[0066]
计算模块能验证飞机切分截面的数据是否达到精度要求，在达到精度要求的情况下对切分截面的数据进行积分处理和计算，得到飞机模型的容积和表面积。
[0067]
本发明的实现步骤如下：
[0068]
步骤s1、切分模块输入：需要选定切分的两个初始平面、切分份数，其中初始平面决定被计算模型的范围和计算方式，机身类部件推荐初始平面平行于yz平面，机翼类部件推荐初始平面平行于xz平面，垂尾类部件推荐初始平面平行于xy平面；切分份数决定切分精度，对时间要求高可以降低切分份数，对精度要求高可以提高切分份数。图8为设置初始平面演示，图11为设置切分份数演示。
[0069]
步骤s2、切分模块运行：切分模块能够根据输入的两个初始占位平面和切分份数，得到在两平面间一系列等距占位点，占位点上会生成与初始平面平行的平面与被切模型相交，得到一系列曲线，然后对这些曲线进行缝合得到连续曲线，再将这些曲线的数据以文件夹的形式保存下来。图10为调用切分模块演示，图13为设置切分结果文件
[0070]
步骤s3、计算模块运行：根据前面模型切分结果，能得到需要计算容积的部段站位分别为ns、ne(ns-站位起始位置，ne-站位终止位置，相当于计算ns和ne之间的部件容积)，在ns和ne中间插入m个剖面，从而共有m 2个剖面，相当于把需要计算的部段分成了m 1份，则ns和ne之间的容积为：
[0071][0072]
其中，v为部段间总容积；δl为相邻两个截面之间的间距；si为第i个截面面积。si通过对所切分截面所在的曲线进行处理获得，假定第i个截面共有k条曲线组成(外形中的每个与该站位面相交的曲面都会产生一条曲线)，在计算时先将k条曲线连接成封闭多边形，并以此为基础通过截面矢量积分获得面积。
[0073]
ns和ne之间的表面积为：
[0074][0075]
其中，s为部段间总侧面积；δl为相邻两个截面之间的间距；li为第i个截面面积。li通过对所切分截面所在的曲线进行处理获得，假定第i个截面共有k条曲线组成(外形中的每个与该站位面相交的曲面都会产生一条曲线)，在计算时先将k条曲线连接成封闭多边形，并以此为基础通过catia内置计算功能得到曲线周长。
[0076]
计算结果能够通过表格的形式导出保存，方便后续的复用和对比。图14为计算结果示例。
[0077]
精度验证：
[0078]
采用标准半圆柱体对程序精度进行验证(为了同时验证程序对非封闭类曲面的体积计算能力)，圆柱半径1000mm，切分段长度为3000mm，切分成100等分，计算结果如下：
[0079]
目标理论值本软件结果误差标准半圆柱4.71238894.714708565138870.049％
[0080]
由此可见，误差为0.049％，该方法及软件用于初步的计算是可行的。图2为半圆柱体切分结果，图3为半圆柱体计算结果。
[0081]
多次切分验证：
[0082]
对示例模型进行各个方向的多次切分，切分对象包括：机身类部件(切分站位平面平行于yz平面)、机翼类部件(切分站位平面平行于xz平面)、垂尾类部件(切分站位平面平行于xy平面)。图4中展示的为部分机身，部分机翼以及垂尾的切分结果。
[0083]
具体实施例操作过程：
[0084]
步骤s1、加载曲面切分计算模块：将计算程序文件夹拷贝至某工作目录下，如“d:\飞机计算工具v6.0”，文件夹中包含软件模块、算例及使用说明；打开catia软件，点击tools-》macro-》macros
…
进行模块加载配置。图5为进入宏管理演示，图6为新建catia宏库演示，图7为选择vba项目演示。
[0085]
步骤s2、打开数模：打开catpart类型或igs类型外形模型，将进入零件设计模式。
[0086]
步骤s3、设定初始平面：通过catia的平面设置功能，插入需要计算容积的起始和终止站位(站位可以是平行于任意坐标轴的，对于机身类部件，采用平行于yz的站位平面，对于机翼部件，则可采用平行于xz的站位平面，对于垂尾类部件，则可采用平行于xy的站位平面)。图8为设定初始平面演示。
[0087]
步骤s4、选择切分对象：选择计算对象，为了防止计算干扰，建议隐藏不相关的曲面。图9为选择计算对象演示。
[0088]
步骤s5、曲面切分：通过tools-》macro-》macros
…
调用并点击“run”运行程序；选择起始和终止站位面；输入切分份数(在起始面和终止面中间需要插入的切分数量，切分数量越大，体积计算精度越高，但计算时间更长)；点击“ok”开始切分计算，通常需要几分钟时间，切分时会有进度条提示，请耐心等待，切分结束后会弹出完成提示框，并在catia中显示
切分结果(切分数据会在catia结构树中以[“spark_” 时间]的几何集形式进行管理，如spark_14-14-46表示本次切分发生在14点14分46秒)；切分的结果数据文件以文件夹的方式存放在当前catpart部件所在的目录下(如果导入的是igs文件，切分结果一般会在d盘根目录下)，并以切分时间“小时-分-秒”为标记按照文件夹形式进行记录，如14-52-57(14点52分57秒)，该文件夹下存放了所有站位的切分曲线数据点，计算工具将以这些数据为基础采用数值积分形式进行容积和面积计算。图10为调用切分模块演示，图11为设置切分份数演示，图12为切分数据点，图13为切分结果文件。
[0089]
步骤s6、计算：运行计算工具，如“d:\飞机计算工具v6.0\计算\volcalc6.0.exe”，点击“打开”按钮选择所切分的结果文件夹，如“d:\飞机计算工具v6.0\算例\14-52-57”，程序自动计算出容积和各截面面积，同时可以查看计算过程日志，若切分出现错误，可以将日志拷贝到txt文件中，通过搜索“数据点不在同一平面”字样进行错误定位。图14为计算结果示例。
[0090]
使用本发明中的系统应注意以下几点：
[0091]
1、模型导入时，若外形文件为catproduct或其他形式，可以先将该文件转换成igs格式(曲面文件)导出，再导入catia并保存成catpart。
[0092]
2、对于进气道等部件，建议采用两步走方式计算，先计算机身容积，再计算进气道容积，最后二者相减获得有效容积，保证每次计算对象的曲面相对规则。
[0093]
3、必须选择切分对象后再调用切分程序，否则切分无效。
[0094]
4、该版本支持多次容积切分，系统缺省会记录下每次容积切分结果，为不影响原始几何文件，建议在切分结束后采用另存方式存储结果。
[0095]
5、若需要对一个部件进行多次容积切分计算(如机身类部件)，可以从结构树中删除或隐藏之前的切分结果。
[0096]
6、估算表面积与估算侧面积的差别是，表面积相比于侧面积多包含两个端面面积。
[0097]
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0098]
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。