张 华 罗 奔

一种提高材料利用率的尾翼裁片方法

张 华 罗 奔

本文针对系留气球尾翼裁片问题，叙述了传统的分片及展开方法，同时提出了一种新的分片设计方法，并利用CATIA软件进行展开。用实例对两种裁片方法进行对比，证明新方法极大地提高了材料利用率。

在保证系留气球性能的基础上，实现其生产制造的经济性逐渐成为各研制厂家关注的重点。进行合理、良好的裁片设计，提高系留气球生产制造时的材料利用率是提高其经济性最重要的因素之一。系留气球裁片主要包括气囊裁片、副气囊裁片、整流罩裁片及尾翼裁片等。按照传统的裁片方法，系留气球生产制造时的材料利用率仅为60%～75%。最新的研究表明，对气囊、副气囊、整流罩进行合理的裁片设计，良好的裁片排列及允许横截面某处进行截断后，材料利用率可达90%以上。由于尾翼的曲面造型比较复杂，利用传统的裁片设计，难以提高材料利用率。

本文针对尾翼曲面造型特点，对尾翼主体蒙进行分析，针对其前缘和后缘曲率较大，中间部分曲率较小的特点，提出一种新的裁片设计方法，大幅度地提高了材料利用率。

传统的分片及展开方法

在传统的尾翼分片设计过程中，按等百分比弦截面进行分开，同时保证各片最大宽度不大于材料的可用宽度（一般为1.40m）及尾翼前缘和后缘所在的裁片是由左右相等的两部分组成的一个整片。如图1所示。

尾翼蒙皮各弦平面的截面外形具有相似性，因此可以参考圆锥和圆台展开的设计思想。圆锥由母线绕中心轴旋转而成，其在展开时的两个参数分别是展开时的半径及其形成的扇形的圆心角。圆锥展开的平面形状是以其侧面母线长为半径、底面周长为弧长的扇形。圆台展开前先将其母线反向延长，补足顶部的圆锥，然后分别对两个圆锥进行展开设计，两个扇形之差即为圆台的展开外形。

由于尾翼蒙皮沿中心对称面对称，裁片设计时只需选取其中的半片即可。参考圆锥与圆台的展开方法，借助于CATIA三维设计软件，尾翼蒙皮各片的展开过程如下：

（1） 延长前缘线和后缘线作出交点，以其为基准点（编号为A）；在尾翼上作出设计的弦截面，取其与尾翼外皮的交线，将交线与梢部平面和根部平面的交点分别作出并编号；

（2） 分别连接A点与上述各交点，并分别测出上述各线段的长度d（n）、D（n）；

（3） 以超出上述最大线段长度的数值L为基准，沿着各线段方向分别画出长度为L的新线段，并用样条曲线将各线段的端点连接起来，测出每两点之间的弧线长度r（n）；

（4） 作尾翼与气囊交线和各等百分比截面的交点，作A点与各交点的线段，测出其长度p（n）。

通过上述步骤即完成了作展开图的准备工作。在展开图中作以L为半径的圆，以各段r（n）值计算的圆心角做出对应的各百分比弦线的位置，按照各段对应的d（n）、D（n）、p（n）值在各段中分别做出对应的点，顺接上述各对应曲线段即可得出半片尾翼的展开图。

新的分片及展开方法

沿弦平面方向，尾翼仅在前缘和后缘部分有较大的弧度，而中间部分过渡比较平缓，因此可以把尾翼前缘、后缘与中间部分按不同方式进行分片。

图1 传统的裁片分片示意图

图2 尾翼展开方法

图3 尾翼展开示意图

图4 传统裁片展开示意图

图5 新方法裁片分片示意图

图6 新方法裁片展开示意图

图7 前缘截取多块裁片示意图

图8 尾翼裁片排列示意图

图9 尾翼裁片排列示意图2

在尾翼梢弦前缘取一点M，在根弦前缘取一点N，作过点M与N的弦截面a，用a即可截出尾翼的前缘，同理可以截出尾翼的后缘。从尾翼梢部平面开始每隔一定距离L作一个平面，直至最后一个平面已处于尾翼根肋的下缘。假设所作的平面共有X个，用此X个平面即可截出尾翼中间部分。如图5所示。

利用CATIA软件创成式曲面模块的曲面展开功能，将尾翼前缘、后翼及中间部分分片展开。反复调整M、N、L及X的值，直至所有展开的裁片形状类似图6所示，即所有裁片的两个长边近似平行且距离接近1.40m。

如果尾翼前缘或者后缘有较大弧度的部分较宽，仅在前缘和后缘截取一块裁片无法把裁片展开成图6所示的形状时。可类似于作M与N点的办法，作M1与N1点，甚至M2与N2点，M3与N3点……采取在前缘或者后缘截取多块裁片的办法，直至所有展开的裁片类似图6所示。

实例分析

以某型号系留气球尾翼为例，进行说明如下

表1 系留气球尾翼参数

用传统的分片方法，按等百分比弦截面进行分开，并采用类似展开圆锥的方法将其展开，然后进行裁片排列如图8所示。

由图8可以看出，由于裁片形状不规则，两头大小不一，进行裁片排列时，材料上有很大的缝隙难以利用到，这部分材料被白白浪费。经过对此种分片方法的尾翼裁片进行细致的排列后，发现材料利用率为69%。

采用新的分片方法，用弦截面在尾翼前缘截取三个分片，在尾翼后缘截取一个分片，其余分片用弦平面截开，再进行排片，如图9所示。

由图9可以看出，尾翼裁片的排列十分紧密，材料上被浪费掉的缝隙十分狭小。经过对此种分片方法的尾翼裁片进行细致的排列后，发现材料利用率为95%。大大提高了材料的利用率。

结语

通过合理的分片，然后借助CATIA软件进行展开，可以得出外形比较规则的裁片，这种裁片大大提高了材料利用率。此种裁片方法通过结构、工艺等专业进一步论证后，将可运用到生产领域。由于这种方法大大提高了尾翼裁片对材料的利用率，它将具有广泛的应用前景。

张 华 罗 奔

中国特种飞行器研究所

张华，男，工程师，毕业于北京航空航天大学航空科学与工程学院飞行器设计专业，研究方向：飞行器设计与制造；罗奔，男，硕士，毕业于乌克兰国立航空大学飞行器设计专业，研究方向：飞行器总体设计。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.013