李玉平

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

1 主几何的定义

在飞机研发的设计阶段，数字样机（Digital Mock-up）主要由主几何模型（Master Geometry）、设计准则模型（Design Principle）、边界和接口模型（Frontier and Interface model）、空间定位模型（Space Allocation Mock-up）组成。而主几何是飞机研发过程中数字样机的重要组成部分之一。

主几何又称为“控制几何”“控制模型”等，是飞机研发过程的气动表面设计和结构定位，也是整个详细设计和制造流程的基础。主几何代表了相关单位或部门要使用的主要飞机几何数据的唯一参考数据库。

从内容和工作分工的角度来说，主几何包括气动表面、坐标、曲线、参考面、内部包线。根据工作分工，合作伙伴及供应商负责创建各自部分的主几何。图1为主几何示例。

从飞机研发的阶段来说，主几何的创建和使用开始于可行性阶段，并大部分在定义阶段刚刚结束之后冻结。

一般来说，主几何的主要用户包括：

结构设计：结构组件定义；

系统：燃油、襟翼、起落架、APU、布线、空调等；

制造、工装和夹具；

气动：性能分析、后期方案改进；

有限元分析；

后续项目：飞机类型变化研究；

风洞：模型设计。

图2为主几何的用户图。

图1 主几何示例

图2 主几何的用户

2 主几何所包含的内容

主几何一般包括所有在飞机或部段层级与项目里程碑相关的主几何的条目，主要是指在详细设计阶段之后，在飞机层级，主参考全局外形模型、全局坐标基准模型以及相关图纸；还包括更详细的几何形状，例如壁板、结构基准面的参考。对于飞机的坐标轴系来说，主几何包括全局及部段坐标系统（机身、挂架、平尾等等）。对于飞机的表面来说，主几何所包括的气动表面是飞机的设计外部形状，也称为主几何交付的放样线（loft-line）。放样线可能不是飞机结构的实际外表面，因为其中局部厚度增加，或者面板发生了重叠。对于机翼来说，放样线是机翼蒙皮的外部。

主几何包括的气动表面外形包括飞行外形，具体如下：①设计外形。优化的外形包括主要的设计迭代，例如风动计算外形。②从飞行试验测量的实际外形。③在定义阶段之前存储飞行模型及1个飞行基准，即全球轴线。④在地面装满燃料的最大挠度。

主几何包括的气动表面外形还包括工装外形，工装外形在飞机设计过程中至关重要。这是为整个飞机定义的外形，并且是制造外形，不受质量、升力和气动的影响。飞机的很多部段只有工装外形，例如所有的机身部段、平尾、吊架和发动机舱。

工装外形有不同的状态，举例如下：①初始工装。由工装保证上反角的飞行机翼外形。②来自更好的强度计算的设计工装外形，用于机翼部件设计和制造；③工装的优化外形。主几何所包括的其他表面有：蒙皮面板；结构定位内面或参考面；带有不同的边界但形状重复的面板放样线表面；由其他公司决定的部段层级的其他参考面；可移动表面，例如襟翼、副翼、板条；结构参考平面；外部加固等。

3 主几何的管理

主几何的管理可以分为2个层级，飞机层级的管理和部段层级的管理。

对于飞机层级的主几何管理，主要包括以下内容：①使用从PDR/CDR（初步设计评审/关键设计评审）流程输出，负责进行飞机部段分解坐标系统模型的创建；②发放飞机坐标系统模型到参与工作的各个设计伙伴公司；③接收来自设计伙伴公司部段的湿外形主几何，并符合全局主几何装配；④随着设计的进展，接收并管理合作伙伴公司部段详细的主几何；⑤检查所有部段都准确地集成。

对于部段层级的主几何管理，主要包括以下内容：①基于主几何的输入、输出，是公司与合作伙伴的唯一联络点；②检查主几何的交付物是否符合OEM制定的并行工作规则；③发起数据传递的输入、输出；④确保主几何符合顶层飞机需求。主几何一般在初步设计阶段开始的时候冻结，可以理解为它可以随着后续几何修订来更新。主几何的生命周期贯穿飞机的全寿命周期，包括服务及服役中的状态，例如，它可以接受机翼飞行外形在服役中更新。为了控制全局飞机几何构型和部段几何构型，最终的形状必须由飞机的型号来批准，通过正式发布文件的方式来进行。如果几何已发送，这个批准要传达给所有负责主几何的部门。任何最终外形的更新，必须在PDM（产品数据管理）工具中通过更改和新的设计方案来管理。详细设计阶段结束的时候会有转阶段的活动。最终的主几何模型复制并按照定义档案的规则命名，在PDM中2个模型之间会有追溯性链接。

4 主几何的业务流程

主几何设计的业务流程主要包括分析输入并澄清规范、生成基本几何、生成表面、批准设计、发放和发布等几个子业务流程分解，如图3所示。

分析输入并澄清规范子流程主要包括的活动如下：分析市场；优化整个飞机（空气动力、强度、质量、成本、系统集成）；定义任务、飞机尺寸、乘客人数；定义质量；定义发动机/发动机包线；定义全局约束/定义；定义基线管理和构型管理等。

图3 业务流程分解图

生成基本几何子流程主要包括的活动如下：对气动和放样团队的外形进行装配和集成；定义二维线框曲线；定义初始点、曲线、切截面；分析初步CFD并优化廓形；采用放样意见，定义来自气动约束的曲线；检查表面质量。

生成表面子流程主要包括的活动如下：从曲线创建曲面，检查表面质量、CFD（网格划分、计算）、分析结果、修改表面；生成尽可能满足制造要求的理论表面（飞行外形闭合）；基于风洞制造要求，调整理论表面；检查表面质量；定义风洞模型的可制造性设计；进行风洞测试；优化设计；基于制造要求调整表面（比如曲率半径、反射、后缘厚度、相切匹配、差距、拔模斜度）；检查表面质量；输出生产面。

批准设计子流程主要包括的活动如下：对气动性能设计作最后的检查；按需作出变更；对链接到表面模型的文件签字批准；定义基线管理和构型管理。

发放和发布子流程主要包括的活动如下：签发放样图号；通过存储在主存储库发布几何；定义基线管理和构型管理；检查链接到上层产品结构的所有模型。

图4 主几何流程

5 飞机不同研发阶段主几何流程的区别

主几何流程可以被分解成3个主要的子流程。但取决于相关的里程碑，它们在细节的不同层次提供了同样的交付物，如图4所示。

主几何在飞机研发的可行性研究阶段，在总体层面使用通用流程来提供初始几何，包括飞机机身、机翼、安定翼和尾翼。主几何在飞机研发的概念阶段，使用通用流程来审查全局几何，并按需添加或修改几何。在部段层级细化几何，包括前机身、中机身、后机身、腹部整流罩、发动机、短舱、活动部件、整流罩等。主几何在飞机研发的定义阶段，使用通用流程来审查全局和部段几何，并按需添加或修改几何。在子部段层级细化几何。

6 总结

主几何是组成主要几何参考的数字样机（DMU），它大大丰富、细化了数字样机的管理，同时又在设计早期对结构设计和系统安装，以及其他领域的设计提供了基础。主几何流程开始于可行性研究阶段，在定义阶段的开始冻结。主几何是可行性阶段、概念设计阶段和详细设计阶段及制造阶段的接口，它代表了由所有利益相关方使用的主要飞机几何数据的单一参考数据库，主几何数据的管理延长了飞机的寿命。

［1］中国人民解放军总装备部.GJB 3206A—2010技术状态管理［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2010.

［2］邹冀华，范玉青，蒋建军.欧洲空客飞机构型控制与更改技术［J］.航空制造技术，2006（8）：62-67.

［3］郑晓曦，孙国正.虚拟样机系统［J］.计算机工程与应用，2005（01）：117-119.

［4］范玉青.现代飞机制造技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

［5］熊光楞，王克明，郭斌.数字化设计与虚拟样机技术［J］.智能制造，2004（z1）：33-34.

［6］K Artto，J Kujala，Perttu Dietrich，et al.Analysis of project risk management in the National Aeronautics and Space Administration（NASA）［R］.NASA Ames Research Center，2008.

［7］ICOS Engineering.System engineering handbook：A guide for system life cycle processes and activities［M］.Hoboken：John wiley&Sons，2015.

［8］IEEE.ISO/IEC FDIS 15288—2007.Systems and software engineering——System life cycle processes［S］.Second edition.[s.l]，2007.

［9］A Landi，M Nicholson.ARP4754A/ED-79A-Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems——Enhancements ， Novelties and Key Topics.Sae International Journal of Aerospace，2011，4（2）：871-879.

［10］Hinridisen J.A380-flagship aircraft for the new century.Sampe Journal，2002，38（3）：8-12.