法国达索公司的三维设计软件CATIA作为航空工业界最优秀的计算机辅助设计软件，提供了强大的曲面造型能力。在飞机设计过程中，CATIA -改过去飞机总体设计用简单线框示意加数据表格的飞机理论外形表示方法，实现了三维空间的数字化曲面造型与理论外形设计要求的充分一致，而且对于增升装置的设计采用参数化的设计，对于气动外形设计来说，易于修改变化，结合CFD(Computational Fluid Dynamic，计算流体动力学)技术，针对流场的流动情况，快速进行气动外形的修改，改善气动性能，大大缩短了飞机设计的周期。CATIA在飞机气动设计中可以满足曲面造型精细化、设计要求快速实现化等要求。
大型民用客机的增升装置有很多种类，构型相对复杂，但是随着技术的进步，增升装置的设计类型趋向于简单高效的，特别是后缘增升装置，从早期的多缝襟翼一直发展到如今主流的单缝襟翼。例如A320的全翼展前缘缝翼和后缘单缝后退式富勒襟翼，既能保证气动性能上的要求，又能使结构外形尽可能的简单，这也是增升装置设计发展的趋势。
本文依托CATIA强大的功能，实现了将二维增升设计转换为三维增升构型的一种方法，能够快速、高效、精确地把二维设计转换为三维造型，在这个过程中反映了二维设计者的设计思想，而且简单快速地得到了三维增升装置的打开构型，能够方便地进行缝道参数的调整，这为三维增升装置缝道参数的优化提供了一个良好的基础。
1 前缘缝翼的曲面外形生成
1.1 二维设计
三维增升装置的设计成型是在二维多段翼形的设计基础上进行的，在二维多段翼形设计完成之后，再将二维设计构型转化为三维数字曲面模型。
二维多段翼形设计需要先沿机翼展向进行控制站位的选取，具体方法是：沿着气流来流方向在机翼的某个展向位置进行二维翼型的离散数据点的截取（图1细线所示），在机翼上沿展向取6或7个控制剖面来获取翼形数据，并对获得的翼形数据进行归一化处理，在得到的翼形数据的基础上进行二维多段翼形设计。
图1 获取二维翼型
根据实践经验，二维设计多段翼形是三维增升装置曲面生成的基本依据，二维增升装置气动性能的优劣会基本上决定整个三维增升装置的气动性能。因此在进行三维增升装置设计之前需要进行二维设计。
在此文中我们使用6个沿展向的剖面进行增升装置的二维设计（图2所示为控制剖面展向位置）。在机翼内侧布置3个剖面（包括机翼拐折处剖面），机翼外侧3个，具体位置可以灵活确定，但是在机翼拐折处必须要有一个控制截面。
图2 控制剖面展向位置
1.2 三维成型
在三维增升装置的成型过程中将主要使用GSD(Generative Shape Design，创成式外形设计)这个模块的功能，也会涉及一点FSS(FreeStyle Shaper，自由风格造型)模块的功能。
创成式外形设计：创成式外形设计帮助设计者在线架、多种曲面和高级特征相结合的基础上，借助全设计规范的捕捉，进行高级曲面的设计，完全参数化操作。它提供了一系列广泛的工具，用于创建和修改复杂外形设计或混合零件建模中的机械零部件外形。
自由风格造型：几乎完全非参数化设计，除了包括GSD中的所有功能以外，还可完成诸如曲面控制点(可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形)，自由约束边界，去除参数等功能。
将6个剖面的数据点导入到CATIA翼身组合体数字模型中，按照沿机翼展向的位置和扭转角等参数在所取机翼剖面上进行还原，还原之后的数据点需与原本的机翼外形基本吻合，即不能改变飞机的巡航构型(图3所示还原之后的数据点与机翼外形相吻合)。
图3 设计数据点与机翼
CAD技术中NURBS(Non uniform rational B-spline，非均匀有理B样条)的出现，使曲线能够尽可能的光顺。NURBS是一种非常优秀的建模方式，高级三维软件当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。
一条k次NURBS曲线定义为
其中：ωi，i=0，1，…，n称为权，与控制顶点di，i=0，1，…，n相联，其作用类似基函数；Ni，k(u)是关于曲线位置参量u的k次样条曲线基函数，u的范围在[0，1]之间，为了保证样条曲线二次导数连续，取k≥3。
将二维多段翼形数据点还原到机翼上之后，利用样条曲线分别将缝翼剖面的数据点连接。这些得到的曲线的光顺程度将会决定以后增升装置成型曲面的光滑程度，所以应该特别注意这些曲线的曲率，要尽量使这些曲线光顺，使用FSS模块中的3D-CURVE功能进行曲率的改进，CATIA有自带的曲率分析工具可以帮助人们进行曲率的优化（见图4）。使用FSS模块中的3D-CURVE中的“近接”选项，这样做虽然会使前缘缝翼的某些不重要的设计点不通过这条曲线，但是这些点离优化过的曲线的距离仅仅在几个毫米，误差程度基本可以接受，经过以上优化得出的曲线的光滑程度相对于未优化过的曲线的光滑程度高许多。
图4 未使用3D-CURVE与使用3D-CURVE生成曲线曲率比较图
使用经过3D-CURVE处理过的缝翼曲线，在GSD模块中使用多特征截面曲面工具生成曲面，这些缝翼曲线就是生成曲面的控制曲线。缝翼曲线的两端需要与机翼的上下两表面相切，这样可以保证缝翼曲面能与主翼很好的连接。
使用多特征截面曲面生成曲面需要有引导线，这些引导曲线和机翼上下表面是相关联的。在前缘缝翼的曲面成型过程中需要在机翼上表面作出2根控制引导线，一根控制线为1mm厚度控制线，另一根是过渡段控制线引导线，这2根控制引导线之间的距离应该不超过当地弦长的3%，不过在三维成型过程中可以取基本相同的距离。画出1mm控制引导线是因为在实际制造过程中蒙皮有厚度，在前缘缝翼的上端和下端都将有1mm的厚度。
1mm厚度控制引导线，在机翼上表面作一条沿着机翼展向的曲线，再沿y向向下平移1mm，得出这条1mm厚度的控制线。作为过渡段的长度控制线，这条线需要取在机翼表面。下表面也如前所述(见图5)。
图5 前缘缝翼曲面成型过程中4条控制线引导线
作出1mm厚度的控制线引导线和过渡段的控制引导线之后，这4条曲线(前缘缝翼的上端和下端分别有2条)，连同前面经过或未经过优化的缝翼剖面形状曲线进行本文中最重要的工作，利用多特征截面曲面(multi-sections-surface)生成缝翼曲面(见图6(两图为不同视角下的视图))。
图6 增升装置前缘缝翼曲面的生成
2 后缘襟翼曲面外形生成
后缘襟翼曲面的生成类似于前缘缝翼，区别在于后缘襟翼只有5个控制剖面，最外侧的翼稍处的控制剖面只有前缘缝翼数据点，不需要设计后缘襟翼，而前缘缝翼有6个控制面，其余步骤与前缘缝翼的做法基本一样，在此就不重复表述了。
图7为增升装置三维成型完成之后的状态。
图7 增升装置完成示意图
3 增升装置曲面外形快速修改变换
利用CATIA的自动更新功能进行快速的曲面外形修改。
利用增升装置的平面图进行不同构型的快速替换。平面布置图是确定的，基本不做更改。所以替换不同增升装置构型时保留控制曲线，只需要在做好的前一个构型中将前缘缝翼或者后缘襟翼剖面数据点进行替换就可以很快地得到新的增升装置设计曲面了。
进行曲面快速进行替换的重点在于CATIA中整个树结构层次清楚，一目了然。替换了最开始的数据点后，CATIA能够自动进行之后一连串始于数据点改动的关联改变，这样就完成了曲面的快速替换。
4 三维增升装置缝道参数
4.1 前缘缝翼打开方式
前缘缝翼采用延伸圆弧滑轨方式，类似于Boeing 777，如图8所示。在CATIA中实现这种方式的前缘缝翼运动方式，需要在空间中找到一根直线作为转动的轴线，两点确定一根直线，因此需要找到两个二维情况下的转动点。分别在机翼的翼根与翼尖处作垂直于机翼前缘的平面，将此平面与机冀、前缘缝翼面相交。二维情况下前缘缝翼绕某个点转动，这个点就是我们需要的。连接根据这种方法得出的两个点得到的直线就是我们所要找的三维空间中的前缘缝翼转动轴线。此轴线只是为基本轴线，还可以在CATIA中运用平移功能进行平移对此轴未进一步地调整位置。
图8 Boeing 777前缘缝翼
4.2 后缘襟翼打开方式
根据富勒襟翼的特点，后缘缝翼运动方式为既向后移动又进行偏转，这样的好处在于能够较方便地进行后缘襟冀的缝道参数的控制。
在襟翼下表面的两侧取两点，这两个点等距离靠近后缘襟翼的前缘，连接这两个点，作为初始的后缘襟翼转动轴，沿来流方向作一条直线，并且向下进行一定角度的偏转。此直线用作后缘襟翼平移的方向，后缘襟翼的运动方式，先将闭合的后缘襟翼与初始转动轴沿直线进行一定距离的平移，之后以转动轴进行一定角度的偏转，得到后缘襟翼打开的构型(见图9)。
图9 后缘襟翼打开过程
采用这种方法可以较好的控制缝道参数。
图10为增升装置完全打开后的构型。
图10 增升装置打开示意图
5 算例
上文中，我们阐述了前、后缘增升装置的成型及运动过程，在以上的设计思想指导下，设计了着陆构型FD03_XU7。在对其进行气动分析时，为准确模拟边界层内粘性流动特征，采用结构化流场网格(见图11)，得到两个构型的升力曲线如图12所示(CL表示升力系数，AOA表示计算攻角)。图13为构型FD03_XU7在18°攻角时的表面流线。
图11 结构化网格
图12 构型FD03_XU7升力曲线
图13 构型FD03_XU7在18°攻角时表面流线
6 结论
随着计算机辅助设计软件技术的进步，复杂曲面的设计与成型能够快速精确的实现。CATIA软件有极强的曲面造型能力，在大型民用飞机的气动外形设计过程中占据了非常重要的位置。特别是NURBS即非统一有理B样条曲线的出现，使CATIA能够创建出更逼真、生动的曲面，而且参数化的曲面曲线成型，使其在飞机的设计过程中能够高效、精确地反应气动设计的意图。CATIA能生成各种符合网格生成软件的格式，基本能够满足任何商用网格生成软件的格式输入要求，极大地方便了CFD计算。基于参数化的设计，使CATIA对飞机气动外形修改方便，可以根据CFD计算结果快速进行外形修改。
在增升装置的设计和成型过程中，CATIA可以快速、高效、精确地进行构型生成。飞机增升装置展开可以直接在CATIA中进行运动展开，缝道参数也可以方便地进行修改，这为增升装置寻求一个最优位置提供了极其方便的方法。
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