朱文蘭等

【摘 要】近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在飛機(jī)研制上以廣泛采用全CATIA三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段代替了原有的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方式。

【關(guān)鍵詞】三維模型；參數(shù)化；機(jī)翼；翼肋；建模

0 概述

飛機(jī)設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的工作，需要不同的專(zhuān)業(yè)，不同的人共同協(xié)作。貫穿飛機(jī)研制階段的三維設(shè)計(jì)，將大幅縮短研發(fā)周期，減少研制費(fèi)用，提高質(zhì)量。在三維基礎(chǔ)上發(fā)展出的關(guān)聯(lián)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在研制階段就能三維模型上體現(xiàn)出不同系統(tǒng)、不同部件間的協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)。設(shè)計(jì)員能很清楚的看到與己先關(guān)的其他部件的位置關(guān)系，從而更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

隨之而來(lái)，由于設(shè)計(jì)過(guò)程的創(chuàng)造性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，三維設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)修改上，讓很多設(shè)計(jì)師都覺(jué)得繁瑣。參數(shù)化設(shè)計(jì)成為今后設(shè)計(jì)工作的主要發(fā)展方向。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的由來(lái)

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究工作最早可追溯到20世紀(jì)60年代早期，Suthedand在他開(kāi)發(fā)的Sketchepad系統(tǒng)中，首次將幾何約束表示為非線性方程來(lái)確定二維幾何形體的位置。后來(lái)Hillyard、Gossard進(jìn)一步發(fā)展了這一思想，并使之實(shí)用化，在應(yīng)用此方法的過(guò)程中，人們也發(fā)現(xiàn)了早期參數(shù)化方法的諸多弊端，如迭代收斂性問(wèn)題等，由此人們又提出了符號(hào)法用以克服這些問(wèn)題，但符號(hào)法的計(jì)算量很大，在實(shí)用中受到很大的限制。人們又提出了應(yīng)用人工智能思想的方法：基于圖的方法，用圖的表示改善推理過(guò)程，這種方法把約束及其所約束的幾何元素用圖論的方法表述出來(lái)，然后對(duì)約束進(jìn)行幾何推理確定各幾何元素的參數(shù)值。這種方法簡(jiǎn)潔、計(jì)算量小，因而在實(shí)際軟件系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

參數(shù)化設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)自動(dòng)記錄建立幾何形體的整個(gè)歷程，換句話說(shuō)，系統(tǒng)不僅記錄建立的幾何形體，同時(shí)也記錄設(shè)計(jì)意圖，即幾何間的關(guān)系。當(dāng)改變參數(shù)時(shí)，幾何關(guān)系保持不變。CATIA作為一個(gè)基于特征的三維輔助設(shè)計(jì)軟件，利用幾何約束實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)先定義設(shè)計(jì)變量，再通過(guò)簡(jiǎn)單的算術(shù)表達(dá)式定義幾何尺寸，幾何尺寸也可以以變量的形式加入到算術(shù)表達(dá)式中，以驅(qū)動(dòng)其它尺寸。

以機(jī)翼中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的翼肋為例，從中我們就能很明顯的看到參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

2 翼肋結(jié)構(gòu)分析

翼肋分為普通肋和加強(qiáng)肋，其構(gòu)造形式可分為腹板式、構(gòu)架式、圍框式和整體肋等，無(wú)論那種形式的翼肋，其都主要是用來(lái)承受局部氣動(dòng)載荷和維持機(jī)翼外形。從翼肋的結(jié)構(gòu)形式可以看出，翼肋的厚度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度，并且為了維持外形，其外形幾乎與機(jī)翼安置翼肋處的翼型一致。

以雙梁式機(jī)翼的普通翼肋為例，從結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，與翼肋有連接關(guān)系的是前后梁和壁板。蒙皮把氣動(dòng)載荷分別傳給長(zhǎng)桁和翼肋。氣動(dòng)載荷直接作用在機(jī)翼蒙皮上，蒙皮通過(guò)鉚釘以分散連接形式和長(zhǎng)桁、翼肋相連，將外載傳給了翼肋和長(zhǎng)桁。長(zhǎng)桁與翼肋通過(guò)角片相連，由于氣動(dòng)載荷方向垂直于長(zhǎng)桁軸線，且處于翼肋平面內(nèi)，在此種載荷下，翼肋的剛度比長(zhǎng)桁大得多，因此長(zhǎng)桁把自身承擔(dān)的氣動(dòng)載荷傳給翼肋。翼肋把自身及收集到的氣動(dòng)載荷傳遞給由蒙皮壁板、翼梁腹板組成的翼盒。為了盡可能的減少飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，一般翼肋中間都會(huì)有幾個(gè)用來(lái)減重的減重孔。從上述分析可以看出普通翼肋結(jié)構(gòu)基本相似，適宜進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 參數(shù)化翼肋建模的方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)是通過(guò)改動(dòng)圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改己定義好的零件參數(shù)，自動(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的改動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)。參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式便于設(shè)計(jì)的修改和設(shè)計(jì)。

從上述分析我們可以看出，所有的普通肋我們都可以用參數(shù)化設(shè)計(jì)的理念來(lái)進(jìn)行建模，以便于后期強(qiáng)度校核階段的修改。運(yùn)用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的方法，在建立翼肋三維模型之前，先建立機(jī)翼盒段的CATIA骨架模型將主要的位置及搭接放入其中（包括肋平面位置、梁平面位置、理論外形等）。根據(jù)參數(shù)化建模的需要，單擊下方的參數(shù)編輯圖標(biāo)，在骨架中建立肋建模需要的腹板厚度、緣條厚度已經(jīng)補(bǔ)償片的厚度幾個(gè)參數(shù)并賦予數(shù)值，并將建立的數(shù)值發(fā)布。做好上述準(zhǔn)備工作之后開(kāi)始下一步建模的工作。

我們選取肋的典型結(jié)構(gòu)形式為例：

肋腹板的建模：選取骨架中發(fā)布的肋平面為基準(zhǔn)平面→繪制草圖→完成后向肋前拉伸生成實(shí)體，拉伸厚度點(diǎn)擊數(shù)值旁邊的編輯公式按鈕→進(jìn)入公式編輯界面→選擇已經(jīng)發(fā)布的腹板厚度→確定完成。

肋緣條的建模：肋緣條在肋前，首先建立與肋貼合的面作為投影平面→用平面的命令選取肋平面為基準(zhǔn)向肋前偏移生成草圖繪制平面，定義偏移量為骨架中的腹板厚度→繪制草圖→生成實(shí)體，并定義厚度為骨架中已發(fā)布的緣條厚度，同樣的方法對(duì)緣條立筋建模。

最后用同樣的方法完成補(bǔ)償片的建模，完成整個(gè)肋建模過(guò)程中與骨架中所定義的參數(shù)的連接關(guān)系。

4 參數(shù)化與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比優(yōu)點(diǎn)

相比之前的三維模型而言，參數(shù)化設(shè)計(jì)后數(shù)據(jù)的修改變得簡(jiǎn)單而直接。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要保證局部約束的完整性，即可完成參數(shù)化的修改。也不必花大的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)記錄圖形中復(fù)雜的約束關(guān)系，而是直接對(duì)圖形的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

假設(shè)肋腹板的厚度需要修改，我們只需要在骨架中將肋腹板厚度的參數(shù)重新賦值并更新數(shù)模，就能完成整個(gè)肋數(shù)模的更改。方便設(shè)計(jì)人員查找和修改，大大的減少數(shù)模更改所需要的時(shí)間。

在非參數(shù)化設(shè)計(jì)的三維模型里面，看看要完成上述需要修改需要做什么！首先我們要知道該零件的建模步驟才能進(jìn)行下一步操作，在腹板的數(shù)模里更改腹板的厚度；完成以后，再看看緣條和補(bǔ)償片與腹板面是貼合的，也需要修改。如此眾多的工作，只因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)值的修改。

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法將傳統(tǒng)基于特征的建模方法與參數(shù)化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了多種設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)形式的支持。將不同的零件幾何體間的相同元素結(jié)合在一起，形成一個(gè)以特征為操作單位的新語(yǔ)義實(shí)體。對(duì)于零件的修改就可以轉(zhuǎn)化為對(duì)構(gòu)成零件的特征參數(shù)值進(jìn)行修改，不用直接修改幾何圖形的位置，大大方便了零件的設(shè)計(jì)修改過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

5 發(fā)展和前景

隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日益突出，成為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。參數(shù)化設(shè)計(jì)己成為CAD中最熱門(mén)的應(yīng)用技術(shù)之一，因?yàn)樗虾唾N近現(xiàn)代CAD中概念設(shè)計(jì)以及并行設(shè)計(jì)思想，工程設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)開(kāi)始階段可快速草擬產(chǎn)品的零件圖，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品形狀及大小的約束最后精確成圖。恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行三維建模，將會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便利，大大縮短設(shè)計(jì)修改的時(shí)間，從而提高工作效率。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]