客机机身剖面外形的优化设计.docx

1、Jan.2014Vol.43No.1DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2014.0L005客机机身剖面外形的优化设计王佳杰，邓峰,余雄庆（南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏南京210016）摘要:机身剖面外形设计是客机总体设计的一个重要方面。在分析机身剖面类型和设计流程的基础上，研究了客机机身制面的参数化设计方法。根据客舱段的主要控制参数，利用优化方法对机身剖面外形参数进行优化设计，开发了快速生成最优客舱剖面外形的计算程序，为客舱设计提供了一个工具，应用这一设计工具进行客舱剖面外形设计，可以有效缩短设计时间。关键词：客机;机身；容抢;剖面形状；参

2、数化设计；优化中图分类号:V221文献标识码:A文章编号：2095-509X（2014）01-0020-04收稿日期：2013-10-16作者简介：五佳杰（1989），男，江苏南通人.南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞机总体设计。对于民用飞机而言，安全性、经济性、舒适性和环保性是衡最其优劣的标准。机身剖面外形设计是客机总体设计的一个重要方面，直接影响飞机的经济性和舒适性：2-3jo较大的机身剖面可使飞机的座椅宽度及客舱过道宽度增加，提高了乘客的舒适感，但同时会使飞机质量和气动阻力增加，从而导致飞机的性能和经济性变差；反之，较小的剖面可以提商飞机的性能和经济性，但却降低了乘客的乘坐舒适

3、性，从而削弱了飞机的市场竞争力。因此，在确定机身剖面时，应在飞机的经济性和舒适性之间寻找到适中的解决方案。在客机设计阶段，客舱的布置方案（过道宽度、座椅宽度等参数）多种多样，针对每种客舱布置方案，如何快速确定一种剖面外形，既能满足客舱布置方案的要求，乂能使机身剖面的周长最短，以减少机身的外露面积，从而降低气动阻力，提高飞机的经济性。本文在分析客机机身剖面类型和设计流程的基础上，建立了一种机身剖面外形的参数化描述方法和优化模型，并开发了机身剖面外形参数优化程序。1客舱剖面分类机身剖面一般分为两种，即圆形剖面与多圆弧剖面。圆形机身剖面由一个完整的圆构成，如图1所示。其优点是受力特性好、结构轻、易于

4、加工、生产成本低，该类剖面适合于机身直径较大的飞机,如波音B767/777.空客A330/340等，但其空间利用率较低。图1典型的圆形机身割面多圆客舱剖面由多段圆弧和与其衔接的光滑过渡曲线组成，如图2所示，其优点是空间利用率高。该类剖面适合于机身直径较小的飞机或具有多层客舱的大型飞机，如MD-82、波音B747等,但是其结构设计和加工性不如圆形剖面好，生产成本较高。图2典型的多圆弧机身割而Dx=zy_(&-乌)22(/?,-心)(2)2客舱剖面外形设计流程机身剖面设计的基本要求是:提高机身内部空间利用率,降低飞行阻力，易于加工,降低制造和运营成本。机身剖面如何设计取决于机身的内部布置，

5、包括客舱布置和货舱布置。大型民用飞机机身设计应“由内向外”，首先根据经济舱载客量确定每排座位数及过道数，主要的设计约束尺寸为客舱过道宽度.座椅宽度，乘客的头顶、肩膀与客舱内饰的最小间隙，客舱地板高度;其次,货舱在满足标准集装箱装机尺寸的同时,必须满足相关的间隙要求;再次考虑蒙皮包容，以使机身在空气中的浸润面积最小。机身剖面的外形设计通常按图3所示的流程进行。图3机身剖面设计工作流程3客舱剖面外形参数化方法机身剖面外形参数化是指用一组参数来描述机身剖面的外形。本文以三段圆弧机身剖面构型为例（参见图4）,研究机身剖面参数化方法。单圆构型和双圆弧构型的参数化方法类似。将机身剖面参数划分为3类：a.

6、给定的基本参数，包括每排座位数、座位宽度、扶手宽度、过道宽度、货舱高度和宽度。b. 可变的设计参数,包括上段圆弧圆心距地板高度c,靠近窗户乘客肩部最外一点与客舱内壁间隙4,集装箱下角点与货舱内壁间隙,下段圆c. 计算出的外形参数。根据上述给定参数和变量参数推导计算出的外形参数称为计算参数。计算参数及其计算式如下：根据经济舱座位宽度和过道宽度可以得到靠近窗户乘客肩部最外一点的坐标（4,4）；相应地,可以得到集装箱下角点的坐标（人,人）。中、下段圆弧切点与圆心连线和水平线的夹角a=arctan厅（1）式中队为中段圆弧圆心距上段圆弧圆心的水平距离，由式（2）计算求得：式中：RM，R3分别为上段圆弧半

7、径、中段圆弧半径、下段圆弧半径，它们的计算式为：=JI；+"+d+a+6(3)R.=Dx+R】(4)/?3=/jx2+(Jy+c-Dy)2+d2(5)其中：a为客舱装饰层厚度沛为机身框结构高度。机身剖面高度H为:H=/?)+/?3+Dy(6)客舱剖面高度其为：=怡+c机身剖面周长:Hc=+aR2+(tt/2-a)/?3x2(8)机身剖面面积S：S=ttR：/2+彩+(”/2_a)&2_dxDy(9)4客舱剖面外形优化问题的定义基于上述对机身剖面外形的参数化描述，按照-21-优化模型的定义方式，机身剖面外形优化问题可表述如下。给定参数:客舱和货舱布置参数。优化目标:客舱剖而外形

8、的周长比：最小。设计变量：上段圆弧圆心距地板高度c、下段圆弧圆心距上段圆弧圆心的垂直距离Dyo约束条件:客舱剖面高度耳不小于同类客机客舱剖面高度。定义了机身剖面外形优化问题,就可运用优化算法求解，获得周长最小的客舱剖面外形。5计算程序根据上述机身剖面外形参数化方法和优化模型，应用VB编程技术、优化软件和AutoCAD的二次开发方法，开发了机身剖面外形参数优化程序。5.1用户界面运用微软的.Net框架中的VB.Net语言，开发了客机机身剖面外形的设计程序，其界面如图5所示。在设计机身剖面形时,设计人员只需确定机身剖面构型和客舱布置参数，即在圆形构型、二段圆弧剖面构型、三段圆弧剖面构型中选择一种构

9、型,并给定通道数、每排座位数、座位宽度和过道宽度，即可自动设计出周长最小的机身剖面外形。5.2优化算法调用优化算法的调用是通过优化软件iSIGHT的二次开发来实现的。iSIGHT支持各种程序代码的集成，并提供多种优化算法。用户需要完成集成、间题定义、算法选择、监控设置等操作,特别是集成过程中关于输入输出文件的解析，容易出错。本文通过iSIGHT的二次开发，将机身剖面优化设计过程大为简化。iSIGHT的主要优化功能文件包括任务描述文件（*.desc）、解析文件（*.fdc）、监控文件（*.cfg）和数据文件（*.db）。利用VB.Net自动生成上述优化功能文件，再-22-利用批处理命令启动iSI

10、GHT,自动运行优化功能文件,进行参数优化设计。5.3困形绘制为了将优化后的机身剖面外形在用户界面上直接绘制出来，本文应用基于VBA的AutoCAD二次开发方法实现自动绘图刃。为实现AutoCAD启动时自动加载VBA程序，对AutoCAD启动的脚本文件做了相应的配置。acad2010doc.Isp是VisualLisp语言编写的脚本文件，在其末尾添加一段加载VBA程序的代码，就可实现VBA程序的自动加载。VB.Net调用AutoCAD门动绘图的流程如图6所示。图6程序自动绘图流程6应用举例以单通道、并排6座的客舱布置形式为例，应用本文开发的计算程序，对比分析三种剖面构型（圆形构型、二段圆弧剖面

11、构型、三段圆弧剖面）的优化设计结果。客舱布置方案为:每排座椅为两联，每联3座。过道宽度:距地板635mm以下为482.6mm、距地板635mm以上为584.6mm。座椅扶手之间的宽度为457.2mm0三种剖面构型的优化设计结果见表1。从表1可以看出，双圆剖面构型和三圆剖面构型的机身剖面周长接近，且都比单圆剖面构型的周长短，因此机身在空气中的浸润面积较小。另外，双圆剖面构型和三圆剖面构型的机身剖面面积小于单圆剖面构型，空间利用率较高。三圆剖面构型的机身剖面周长较短，旦客舱高度最大。三圆机身剖面构型为三段圆弧光滑连接而成，优化结果既满足了对客舱乘客和货舱集装箱的有效包容，乂能满足一定的舒适性要求，

12、同时机身剖面周长较小,有效地平衡了舒适性和经济性。在满足包容商载最佳的情况下,三圆机身剖面能使飞机的飞行阻力较小。表1机身剖面优化结果剖面形式单圆双圆三圆第一段圆弧半径/m2.0481.9951.995第二段圆弧半径/m-1.9672.227第三段圆弧半径/m一一1.831客舱剖面高度/m2.4702.4702.470机身削面高度/m4.0964.1014.147机身剖面周长/m1.2871.2731.277机身剖面面积/m?13.17012.61612.9587结束语本文建立了一种机身剖面外形的参数化描述方法和优化模型，并开发了机身剖面外形参数优化程序，设计人员只需选定剖面构型,输入客舱布置

13、参数,即可快速得到满足设计要求的最优剖面外形。该程序为设计人员提供了一个快速的机身剖面外形设计工具。参考文献：IJenkinsonLR,SimpkinP,RhodesD.CivilJetAircraftDesignM.London：Arnold,1999.2 陈小荣，张帅.余雄庆.客舱布局对民机经济性影响的分析方法C/航空公司运营经济性分析与飞机设计论文集.上海：上海交通大学出版社,2012:50-57.3 刘积仓.飞机设计手册第7册：民机构型初步设计与推进系统一体化设计M.北京:航空工业出版社,2000:6-31.4 史士臣.民用客机设计及其对重量和气动特性的影响D.南京:南京航空航天大学,

14、2009.5 曾洪飞.张帆，卢择临.AutoCADVBA&VB.NET开发基础与实例教程【M.北京：中国电力出版社,2008:14-76.TheOptimizationforCross一SectionShapeDesignofAirliner§FuselageWANGJiajie,DENGFeng,YUXiongqing(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,JiangsuNanjing,210016,China)Abstract:Thecross-sectiondesignoffuselageisanimportanta

15、spectinconceptualdesignofairliners.BasedontheclassiGcationsofthefuselagecross-sectionshapeandanalysisofitsdesignprocedure,itintroducesaparametricdesignmethodforcross-sectionshapeoffuselage.Basedonthelayoutof由efuselagecabin,itappliestheoptimizationmethodtoobtaintheparametersoffuselagecross-sectionshape,developsacomputerprogramasadesigntool.Thispro