基于MATLAB/GUI的浮空器囊瓣智能设计系统开发

对于浮空器产品，柔性囊体是其最重要的组成部分，囊体由各种囊瓣组成，其囊瓣设计是囊体加工制造中的关键环节，囊瓣展开的精度对于整个浮空器的性能具有至关重要的影响。本文针对浮空器囊瓣的近似展开计算，基于MATLAB/GUI开发了“浮空器囊瓣智能设计系统”软件模块，实现了浮空器常有的球形、艇形、碟形等囊瓣曲面展开计算的参数化，展开图形自动绘制，展开误差计算和展开点坐标文件的自动生成，生成速度快，展开精度高，界面友好，操作便捷，大大提高浮空器囊瓣设计效率和精确度，具有较高的实用价值和推广前景。

对于浮空器产品的生产制造过程中，首先需要对囊瓣进行设计和曲面展开，并通过热合的方式将展开后的囊瓣裁片连接成囊体。

囊体为三维曲面结构， 大部分为旋转体结构， 其囊体由平面材料拼接而成， 因此需要经过分瓣裁剪过程，这个过程就是囊瓣设计。囊瓣设计需要考虑原材料的尺寸、囊体整体形状以及加工工艺等因素。囊体曲面分割后的三维曲面均为不可以展曲面，不能无误差展开为二维平面，因此只能利用近似展开方法进行囊瓣设计，将囊瓣近似展开为二维平面[1] [2] [3]。目前，囊瓣的展开主要有作图展开法、有限元法及解析法[4] [5]，不管采用哪种展开方法，其计算过程都较复杂，且计算较大， 易出错，导致囊瓣设计人员工作繁锁，效率低下。

本文针对浮空器囊瓣的近似展开计算， 采用解析法以球形、艇形囊瓣为实例建立近似展开数学模型， 并基于MATLAB/GUI 开发了“浮空器囊瓣智能设计系统”。

2. MATLAB/GUI 简介 MATLAB 是一款数学软件，其模块下的图形用户界面(Graphics User Interface，简称GUI)是利用图形控件来显示计算机操作的用户界面， 实现人机交互功能界面。

MATLAB/GUI 由图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等图形对象构成，具有开发门槛低，周期短，兼容性强等行点。

3. 囊瓣设计数学模型 3.1. 解析法 解析法的原理是通过建立曲面展开的数学模型，对曲面边界上点的坐标采用微分的思想进行计算， 然后利用样条曲线连接各点生成展开平面的边界， 则可绘制曲面展开图。

对于给定母线表达式的回转体， 可将曲线等弧长展成直线并计算三维曲面对应位置垂直方向的弧长，对曲面边界上的各点进行计算，然后利用样条曲线连接各点生成曲面展开的边界，微元法将曲面映射到平面即得到二维囊瓣[6]，面积变化小，精度高。具体实施方式是：将曲线(回转体母线)离散为折线段，计算每个折线点处弧长，将折线展成直线，并将圆弧展成直线，得到近似平面。