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光学仿真与飞机照明设计的方法

2018-11-02    

来源:

   编辑:冯志祥  

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导语: 随着光学仿真技术和增材制造技术的大力发展,在民用飞机照明设计的流程中利用这两种技术,可以分别从设计端和制造端提高研发效率,提升设计水平。以某型号民机驾驶舱阅读灯的设计优化为案例说明基于光学仿真和3D打印技术的照明设计方法。

  【摘要】随着光学仿真技术和增材制造技术的大力发展,在民用飞机照明设计的流程中利用这两种技术,可以分别从设计端和制造端提高研发效率,提升设计水平。以某型号民机驾驶舱阅读灯的设计优化为案例说明基于光学仿真和3D打印技术的照明设计方法。

  【关键词】民机照明;光学仿真;3D打印

  1背景概况

  计算机技术的飞速发展深刻影响了人类社会的生产生活方式。航空产业作为传统的高研制成本和长周期产业,也在不断寻求创新与突破,通过积极借用新技术来改进设计方法提高研发效率,压缩研制成本。传统的飞机照明设计是不断设计与验证的过程,通过结果的迭代不断逼近设计需求。通过借用以计算机技术为基础的新技术,可极大提高飞机照明系统的设计效率,降低研发成本。

  2光学仿真技术

  数字化技术经过几十年的发展,衍生出了很多的新技术,其中仿真技术的广泛应用正成为数字化设计技术发展的主要趋势[1]。照明设计中光学仿真是以数字模型为基础,赋予数模光学属性,计算相应的光度学参数。仿真的主要内容包括:照度计算、亮度计算、均匀度计算、人机视觉功效分析等。常用的光学仿真App在计算特性方面各有侧重,包括SPEOS,Lighttools,Dialux,SPECTER等[2]。SPEOS在人机视觉功效分析等领域走得更前,该App集成了多种算法以进行光线追迹。同时,SPEOSApp内嵌在CatiaV5中,设计者在CATIA中建立的数字模型可在SPEOS中直接赋予光学属性用于仿真计算,消除了格式转换引起曲面形状畸变的风险。若赋予数字模型以真实的材料属性,包括颜色、材质、表面纹理,再赋予其光学属性,则可进行人机视觉功效计算,得到逼近于真实视觉效果的仿真结果。

  3增材制造技术

  随着计算机技术、自动化技术、新材料技术等多学科的迅速发展和融合,先进制造技术迎来了巨大变革。被冠以引发“第三次工业革命”的增材制造技术正是先进制造技术的典型代表。增材制造技术又称“3D打印”,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其过程是先通过计算机建立数字模型,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,在打印机中逐层打印。传统的方法制造出一个零件通常需要数小时到数天,根据零件尺寸以及复杂程度而定,而用三维打印的技术可将时间缩短为数个小时,并且该技术可以制造一些传统工艺无法制造的零件,从而减少零件的数量,提高系统可靠性,同时实现系统的轻量化设计。

  4飞机照明设计方法探究

  4.1传统飞机照明设计方法

  基于需求管理的双V流程是飞机照明设计的基本要求[3],通过对系统需求的逐层确认和对系统需求的验证来科学化规范化管理设计流程。简化的飞机照明系统设计流程如图1所示。传统的设计方法是试验驱动型,依靠后期的试验进行验证,容易造成跨阶段的更改和设计迭代。在定下初步设计方案之后,设计者往往对方案可实施性的把握不强,在灯光的布置、空间的光能量分布等问题上都存在很大不确定性,设计结果较粗糙。

  4.2基于数字化技术的照明设计方法

  现阶段国产民用飞机设计已实现了基于CATIA的数字化设计。系统数字模型可直接转化为光学仿真和3D打印的数据源,从设计端和制造端极大提高研发效率。光学仿真可在设计阶段仿真灯具传统的光度学参量,得到传统计算无法精确得到的光分布,完成过去只能在实物验证阶段进行的人机视觉功效分析,提高了设计质量。仿真完成后详细设计得出不同方案的产品模型可以利用3D打印技术快速变成实物产品,在物理样机上进行试验,实现设计与实物验证的并行。以某型号民用飞机的驾驶舱阅读灯优化流程为例,在该优化项中,需要在飞机的侧窗框装饰罩上新增一个阅读灯,并设计阅读灯的安装位置和角度。4.2.1照明需求分析飞行员在飞行过程中需要阅读航图,目标照射区为侧窗图表夹区域。可用的安装位置为目标区域上方窗框装饰罩处。初步分析该区域模型,然而该区空间狭小,结构复杂,需合理设计安装位置和角度以减小对原有结构的影响,如图2所示。4.2.2基于光学仿真的照明设计在本案例中,利用SPEOSApp进行光学系统仿真设计,其过程分为以下步骤:(1)系统建模:调取侧窗框装饰罩区域以及目标照射区域的相关数模,同时将阅读灯的数模导入其中。(2)建立光源:SPEOSApp提供多种光源的建立方式,包括面光源、泛光灯等。通过将阅读灯的配光文件赋予其出光面,建立光源模型。该模型中包括光通量、色温、配光等信息。(3)建立物体的光学属性:将仿真数模赋予光学属性,分为物体的体属性和表面属性,包括物体的表面反射率、体透射率和吸取等。(4)建立仿真探测器:可以根据不同的仿真类型和需求建立不同的探测器,包括光强探测器、照度探测器以及亮度探测器等。本案例中,在图表夹区域建立照度探测器,经光学仿真会在建立的照度探测器内生成照度分布。(5)仿真结果分析与设计修正:通过光线追迹进行仿真计算后,对探测器内的照度分布结果进行定性或定量的分析。可定性的判断光照分布区域,也可定量的分析特定点的照度值或者区域平均照度等。当结果不符合设计目标时,修正阅读灯的安装位置和角度,重新仿真。经仿真以及位置修正,目标区域的照度分布如图3所示。在确定灯具的安装位置和角度之后,根据灯具安装接口和活动包络,设计阅读灯的安装支架,并对原有结构进行修改以安装灯具。4.2.3支架制备与试验验证通过3D打印技术制备阅读灯支架试验件。本案例使用工业级打印机Objet500Connex1,打印方式为喷射可固化液态光敏树脂材料。设计App和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面,面越小其表面分辨率越高,打印出来的模型更精细。阅读灯支架试验件模型如图4所示。用打印出来的试验件支架进行装机和试验,照明效果如图5所示。试验结果表明,阅读灯能较好的照射侧窗图表夹区域,试验结果与仿真分析结果相吻合。整个设计到验证的流程均基于数字化App,避免了传统方法设计中的设计反复以及注塑等方式制备支架的长周期,提高了设计效率。

  5结语

  利用同时基于CATIA的光学仿真和增材制造技术,可以分别从设计端和制造端提高民用飞机照明设计的研发效率及设计水平、减少风险,缩短研发周期,降低研发成本。合理利用这些新技术,或许会让中国的民航制造业在这个传统领域实现弯道超车,赶超制造业强国。

  参考文献:

  [1]郑党党.飞机设计中的数字样机技术[J].航空制造技术,2016.

  [2]刘洪涛.民用飞机照明数字仿真技术研究[J].技术研发,2015.

  [3]SAEARP4754A.民用飞机与系统研制指南[Z].

  编辑:冯志祥 朱志胜 单位:上海飞机设计研究院


标签:民机照明  光学仿真  3D打印  

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