劉 明，徐月慧

(山東科技職業(yè)學(xué)院 機械工程系，山東 濰坊 261053)

飛機典型零件為飛機結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)具有相似性與復(fù)雜性特點，對設(shè)計的要求很高，設(shè)計建模的效率與質(zhì)量會直接影響典型零件的制造[1].傳統(tǒng)的三維建模方法很難保證飛機典型零件的建模速度.為此，本文提出一種飛機典型零件的參數(shù)化建模方法.參數(shù)化建模是計算機輔助設(shè)計的一種重要方法，通過尺寸驅(qū)動實現(xiàn)三維模型的生成并完成模型數(shù)據(jù)的自動更新，能夠簡化典型零件的設(shè)計步驟，提高模型創(chuàng)建的準(zhǔn)確性與效率[2].

1 飛機典型零件的參數(shù)化建模

飛機典型零件是飛機骨架和氣動外形的重要部分，主要分布在飛機機翼與機身中，可分為翼梁、框、肋、壁板等類型[3].飛機典型零件的利用率高，且具有一定的通用性.針對不同類型的飛機，典型零件的標(biāo)準(zhǔn)各不相同.飛機典型零件按結(jié)構(gòu)工藝主要分為拉桿、梁、翻邊鈑金以及鈑金前緣肋等，其中梁又可分為叵字形梁和工字形梁.

參數(shù)化設(shè)計指利用CAD技術(shù)建立零件圖形與尺寸參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，通過更改尺寸參數(shù)來改變零件圖形[4].參數(shù)化建模主要有兩種方法，即基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模和基于特征的參數(shù)化建模.第一種方法是采用預(yù)定義幾何參數(shù)來完成零件圖形的生成，并利用計算機程序?qū)?shù)值與尺寸約束存儲到對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹下，以便查閱與修改相應(yīng)的內(nèi)容[5]；第二種方法主要是通過特定的規(guī)則選取相應(yīng)的零件特征，并在已有零件特征的基礎(chǔ)上增加過渡元素或用于布爾運算的特征，以實現(xiàn)零件特征的拼接[6].

1.1 基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模

在基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模過程中，應(yīng)將零件的幾何參數(shù)轉(zhuǎn)化成驅(qū)動特征參數(shù)，通過尺寸約束，使零件的尺寸與圖形發(fā)生關(guān)聯(lián)，并利用約束之間的關(guān)系實現(xiàn)零件的特征驅(qū)動，完成三維模型的創(chuàng)建[7].其具體建模流程如圖1所示.

圖1 基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模流程

1.2 基于特征的參數(shù)化建模

在基于特征的參數(shù)化建模過程中，以特征為操作單元，利用特征技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計技術(shù)對零件特征信息進(jìn)行拼接[8].建模時需調(diào)用零件的基本特征，輸入需求參數(shù)，利用參數(shù)和約束關(guān)系將特征模板實例化，并采用特征拼接技術(shù)實現(xiàn)零件特征拼接，完成零件模型的創(chuàng)建.其具體建模流程如圖2所示.

采用特征拼接技術(shù)進(jìn)行零件模型創(chuàng)建時，要修改模型參數(shù)，無需考慮零件模型幾何特征的聯(lián)動，只需修改零件的基本特征即可.這就大大簡化了零件模型的創(chuàng)建過程.

圖2 基于特征的參數(shù)化建模流程

2 飛機典型零件參數(shù)化建模的實例

2.1 基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模實例

本文以叵字型翼梁為例進(jìn)行基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模.首先確定零件的控制參數(shù)，提取特征參數(shù)，并獲取參數(shù)列表，分析模型幾何特征之間的關(guān)系，創(chuàng)建公式約束；然后分析零件模型創(chuàng)建步驟，利用CATIA的各API(Application Programming Interface)接口函數(shù)編寫程序，實現(xiàn)模型的創(chuàng)建.

(1) 確定建?；鶞?zhǔn)(構(gòu)件要素)與尺寸參數(shù).分析翼梁結(jié)構(gòu)可知：其建?；鶞?zhǔn)為上翼面、下翼面、機翼弦平面、第一墻軸線、第二墻軸線和肋軸線等；其幾何參數(shù)主要包括腹板厚度、立筋厚度、上緣條厚度、下緣條厚度、豁口深度與長度.

(2) 建立零件模型的構(gòu)件要素.通過CATIA人機交互界面拾取圖3所示的叵字型翼梁構(gòu)件要素.

圖3 叵字型翼梁的構(gòu)件要素

(3) 設(shè)置翼梁端頭的類型與肋軸線.通過CAA(Component Application Architecture)中復(fù)選按鈕CheckButton能完成對翼梁端頭類型的控制，用PushButton按鈕能完成對肋軸線的控制.

(4) 創(chuàng)建叵字型翼梁的基體.首先將梁軸線與翼梁端頭軸線的交點設(shè)置為坐標(biāo)原點；然后以機翼弦平面為草圖平面，繪制翼梁基體草圖，并根據(jù)設(shè)計要求完成尺寸約束；最后通過拉伸命令完成三維模型的快速創(chuàng)建.

(5) 選擇翼梁的類型，并確定立筋的位置和數(shù)量.選擇叵字型翼梁及其端頭的類型，調(diào)用CAA中函數(shù)和相關(guān)子程序，并根據(jù)構(gòu)件要素的位置與立筋數(shù)量創(chuàng)建凹槽特征.

(6) 根據(jù)設(shè)計要求，在CATIA人機交互界面依次點選叵字型翼梁、一端為豁口、一端為開口，載入幾何參數(shù).所生成的叵字型翼梁模型如圖4所示.

圖4 叵字型翼梁模型

2.2 基于特征的參數(shù)化建模實例

以舵面懸掛接頭為實例進(jìn)行基于特征的參數(shù)化建模時，需要分析舵面懸掛接頭的主要特征，確定每個特征的尺寸參數(shù)、位置關(guān)系與約束關(guān)系，并按照特定規(guī)則和順序?qū)⒏魈卣髋c建?；w合成整體.分析可知，長方體是舵面懸掛接頭的建?；w.

(1) 確定舵面懸掛接頭的主要特征與構(gòu)件要素.舵面懸掛接頭的主要特征為基體、槽、耳片、孔和筋.其構(gòu)件要素主要為接頭耳片軸線、耳孔軸線、耳片中心面、下翼面貼合面與支持端面的邊緣線.

(2) 創(chuàng)建零件幾何體，并將特征與基體通過布爾運算完成拼接.首先以接頭耳片中心面為草圖平面，將耳片中心面與耳孔軸線的交點設(shè)為坐標(biāo)原點，并根據(jù)模型設(shè)計要求，將耳孔軸線設(shè)置為H軸方向， 而V軸方向垂直于耳孔軸線；然后繪制草圖，添加合理的幾何約束，并通過CATISpecObject接口下的函數(shù)實現(xiàn)實體操作，完成基體模型的創(chuàng)建；最后通過布爾運算實現(xiàn)特征拼接，完成舵面懸掛接頭模型的創(chuàng)建.

(3) 根據(jù)設(shè)計要求，改變特征參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)化建模，再次進(jìn)行特征拼接，即可生成舵面懸掛接頭模型(圖5).

圖5 舵面懸掛接頭模型

3 飛機典型零件模型庫的設(shè)計

飛機典型零件的種類和數(shù)量較多，通過參數(shù)化建?？煽焖偻瓿娠w機典型零件三維模型的創(chuàng)建.為了實現(xiàn)飛機典型零件模型的統(tǒng)一管理，本文參考文獻(xiàn)[9]設(shè)計了飛機典型零件模型庫.

飛機典型零件模型庫的設(shè)計是利用CAA實現(xiàn)的，通過模型搜索的方法完成已分類模型的預(yù)覽，并采用CATIA人機交互界面來預(yù)覽模型庫中的模型.該模型庫主要包括零件的三維模型和零件信息.其中零件信息主要包括幾何參數(shù)、建?；鶞?zhǔn)、零件模型的名稱等.幾何信息與非幾何信息主要儲存在Excel表格中.飛機典型零件模型庫中模型是按照類別儲存的，每個零件模型單獨放入文件夾并儲存在計算機中.通過信息匹配可完成零件模型資源的共享.通過編寫CAA程序，借助CATIA人機交互界面能夠?qū)崿F(xiàn)模型信息的讀取和預(yù)覽.所建立飛機典型零件模型庫的界面如圖6所示.

4 飛機典型零件參數(shù)化建模系統(tǒng)的測試

飛機典型零件參數(shù)化建模系統(tǒng)的模型創(chuàng)建功能在于，選擇構(gòu)件要素與幾何參數(shù)，快速生成三維模型.

圖6 飛機典型零件模型庫的界面

該功能的測試可通過實例來完成.其具體操作如下：選擇構(gòu)件要素，如果能夠快速完成三維模型的建立，測試結(jié)果為通過；如果不能完成三維模型的建立，測試結(jié)果為不通過.這里以飛機典型零件機翼翼梁為例，對飛機典型零件參數(shù)化建模系統(tǒng)進(jìn)行測試.首先打開CATIA的人機交互界面，選擇要創(chuàng)建的翼梁類型，并依次選擇機翼翼梁的構(gòu)件要素，然后輸入零件參數(shù)，參數(shù)載入之后點擊開始建模按鈕，即可完成機翼翼梁三維模型的創(chuàng)建(圖7).

圖7 系統(tǒng)測試中創(chuàng)建的機翼翼梁三維模型

經(jīng)過測試，對于飛機典型零件機翼翼梁模型的創(chuàng)建，采用傳統(tǒng)建模方法最少需要180 s，而通過飛機典型零件參數(shù)化建模系統(tǒng)建模只需要 100 s.該建模方法把建模效率至少提高了25%.而且，測試發(fā)現(xiàn)，零件的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，該方法提高建模效率的效果越明顯.

5 結(jié)束語

本文研究了飛機典型零件參數(shù)化建模系統(tǒng)，將典型零件模型、模型幾何信息以及建模步驟封裝到CATIA系統(tǒng)中，并建立了飛機典型零件模型庫，有效地提高了建模效率，對航空制造業(yè)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用.