基于CATIA技術(shù)的飛機典型零件變型設(shè)計

劉　明，郝　博，孫勝利

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.遼寧機電職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 丹東 118009)

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基于CATIA技術(shù)的飛機典型零件變型設(shè)計

劉明1，郝博2，孫勝利1

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.遼寧機電職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 丹東 118009)

摘要：為提高產(chǎn)品設(shè)計效率，研究了組件框架技術(shù)，借助CATIA二次開發(fā)平臺，在參數(shù)化建模技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對飛機典型零件的變型設(shè)計，快速提取特征信息，實現(xiàn)智能化操作.利用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言，開發(fā)出與CATIA系統(tǒng)集成的變型設(shè)計模塊，能夠提高飛機典型零件的設(shè)計效率.以飛機典型零件機加件中的拉桿為例，對變型設(shè)計方法的驗證表明，利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)以及CAA編程工具，能夠?qū)︼w機典型零件參數(shù)化建模，實現(xiàn)變型設(shè)計.

關(guān)鍵詞：CAA；變型設(shè)計；飛機典型零件；二次開發(fā)

隨著科技的發(fā)展，大批量定制已成為當今世界的主流生產(chǎn)方式.面向生產(chǎn)的大批量定制方式，變型設(shè)計推動了制造企業(yè)的技術(shù)進步.企業(yè)產(chǎn)品的變型設(shè)計指根據(jù)商家客戶需求，改進產(chǎn)品參數(shù)與尺寸的關(guān)系，確定產(chǎn)品的最終設(shè)計方案.飛機典型零件是飛機結(jié)構(gòu)的基本組成單元，其設(shè)計效率與飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密相關(guān).為了提高飛機典型零件的設(shè)計效率，本研究以CATIA二次開發(fā)為平臺，借助CAA(Component Application Architecture)編程工具，對飛機典型零件進行變型設(shè)計.首先建立基于CATIA參數(shù)化建模的零件三維模型，然后對模型進行參數(shù)分析，建立一定的變量關(guān)系，最后通過參數(shù)驅(qū)動或移除、添加特征來完成產(chǎn)品的變型設(shè)計.變型設(shè)計技術(shù)能夠提高產(chǎn)品設(shè)計效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量.

1CAA的產(chǎn)品架構(gòu)及技術(shù)實現(xiàn)

1.1CAA的產(chǎn)品架構(gòu)

組件應(yīng)用架構(gòu)CAA是法國達索公司推出的，它是客戶對CATIA二次開發(fā)的有效工具[1].CAA的產(chǎn)品架構(gòu)(圖1)主要是對其組件對象進行組合與擴展，在C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基礎(chǔ)上，通過組件對象模型(Component Object Model,COM)和對象連接嵌入技術(shù)(Object Linking and Embedding,OLE)，對CATIA進行二次開發(fā).CAA的產(chǎn)品架構(gòu)采用標準接口技術(shù)，具有更好的模塊獨立性和擴展性，使CAA程序設(shè)計趨于標準化，可進行系統(tǒng)所有功能的開發(fā)工作[2].

從圖1可以看出，CAA由許多模塊構(gòu)成，每個模塊中又包含一系列的文檔，其中含有大量信息，用戶可以根據(jù)文檔信息實現(xiàn)所需要的功能.CAA的模塊文檔之間存在一定的聯(lián)系，點擊具體模塊，可以查詢進行CAA編程所需要的具體函數(shù)以及函數(shù)應(yīng)用實例.由此可見，CAA的模塊式結(jié)構(gòu)非常適合對系統(tǒng)的進一步開發(fā)[3-4].

1.2CAA的技術(shù)實現(xiàn)

快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境(Rapid Application Development Environment，RADE)是一個集成的可視化開發(fā)環(huán)境，可為用戶提供比較完整的編程工具組[5]. CAA的實現(xiàn)是通過快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境和不同的API接口實現(xiàn)的.RADE以面向?qū)ο蟮腣C++為載體，嵌入CAA工具.API接口提供各程序?qū)ο蟮慕涌?、工具和方?利用CAA，可以實現(xiàn)CATIA的二次開發(fā)、全三維參數(shù)化建模以及參數(shù)化建?；A(chǔ)上的變型設(shè)計.

圖1　CAA的產(chǎn)品架構(gòu)

2飛機典型零件的分類

飛機典型零件是指具有一定代表性，能夠反映飛機零件通性的一類零件，它們可能在結(jié)構(gòu)上或制造工藝上具有一定的相似性，例如梁，有叵字形梁、Z字形梁、工字形梁和鉤字形梁.飛機的結(jié)構(gòu)主要由機翼、機身、動力裝置、起飛裝置和尾翼等構(gòu)成.其中，機翼和機身中含有大量的飛機典型零件，包括機加件、鈑金件和型材等.飛機典型零件與普通零件相比，具有結(jié)構(gòu)復雜化、結(jié)構(gòu)大型化、材料多元化、制造精確化等特點.

飛機典型零件比較多，為了清晰地分類，根據(jù)飛機零件的結(jié)構(gòu)特點和制造特點，可將飛機典型零件歸納總結(jié)分類.在參數(shù)化建模中，變型設(shè)計主要用于表1所示的飛機典型零件.

從零件的結(jié)構(gòu)和工藝制造特點考慮，鈑金件、翼梁、拉桿和長桁型材屬于常見的飛機典型零件.

(1)飛機鈑金件主要由腹板、翼面和緣條構(gòu)成，經(jīng)過剪切沖壓等冷加工，生成厚度一致的金屬薄板件.緣條與翼面貼合彎折可形成鈑金件.鈑金件通常具有的凸緣、線沖壓等特征，用來減小鈑金件的集中應(yīng)力.鈑金件根據(jù)翻邊的不同可以分為兩側(cè)翻邊鈑金、三側(cè)翻邊鈑金、四側(cè)翻邊鈑金；根據(jù)翻邊的正反向不同可分為正向翻邊、反向翻邊；根據(jù)有無豁口可 以分為有豁口、無豁口.

(2)翼梁由腹板和緣條構(gòu)成，其受力主要為縱向受力.緣條主要承受彎曲力矩，以及拉伸和壓縮作用.翼梁的外形結(jié)構(gòu)類似于鈑金件，根據(jù)端頭截面形狀可以分為叵字型、Z字型、工字型和鉤字型.同鈑金件一樣，根據(jù)端頭部位是否封閉、開口、豁口，翼梁還可進行細分.

(3)拉桿屬于機加件，主要用作機翼內(nèi)部連接受力桿件.側(cè)面開槽形式的拉桿主要用來緩解集中載荷產(chǎn)生的應(yīng)力.根據(jù)需要，拉桿可以分為拉桿1-1、拉桿1-2和拉桿2-2.

(4)長桁型材主要承受機翼彎曲力矩引起的軸向力和局部空氣動力載荷引起的剪切力.長桁型材可以分為普通長桁型材和蒙皮長桁型材.

表1　飛機典型零件模型庫

注：“/”表示該類沒有對應(yīng)級別.

3飛機典型零件變型設(shè)計的分析

參數(shù)化設(shè)計是機械設(shè)計的主流方法.為了降低飛機典型零件設(shè)計的復雜性，提高設(shè)計效率，增加產(chǎn)品利潤，本研究采用了典型零件變型設(shè)計技術(shù).變型設(shè)計是在不破壞產(chǎn)品初始設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在滿足產(chǎn)品設(shè)計要求下，對原設(shè)計進行尺寸、結(jié)構(gòu)的修改，以產(chǎn)生與原設(shè)計相似的新產(chǎn)品[6].變型設(shè)計技術(shù)實質(zhì)上是參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的特例，通過修改參數(shù)或參數(shù)與參數(shù)的關(guān)系，重新約束機械零件，從而產(chǎn)生新的模型.

典型零件變型設(shè)計即在CATIA系統(tǒng)中，當?shù)湫土慵跏紖?shù)化模型建成后，根據(jù)用戶需求，將典型零件根據(jù)其結(jié)構(gòu)的相似性整理分類，進而變型設(shè)計建模.普通的零件只能逐個進行變型設(shè)計，產(chǎn)品設(shè)計效率較低.典型零件通過分類之后，外部幾何特征的相似性比較強，對其變形設(shè)計可縮短建模步驟，快速重復原有的操作步驟，提高設(shè)計效率，降低成本.典型零件變型設(shè)計是對模型的重用.對于相似的兩個模型而言，修改其中的模型參數(shù)，驅(qū)動模型的更新，便可實現(xiàn)對幾何模型的重用.

飛機典型零件變型設(shè)計的主題思想是：首先對飛機典型零件進行結(jié)構(gòu)特征分析，歸類，然后建立其模塊，對每個類模塊中的模型進行變型設(shè)計，最后達到零件重用的目的.因此，變型設(shè)計結(jié)合參數(shù)化技術(shù)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的柔性，更好地適應(yīng)多型號產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計[7].

4飛機典型零件變型設(shè)計對話框的建立

在已經(jīng)建好的交互式界面中添加對話框，建立一個空的對話框：首先把工作對象設(shè)置為當前的Module，然后單擊文件->CAA V5 Item->CATIA Resource->Dialog.

在空的對話框中添加控件，根據(jù)用戶需求，將控件添加到CATDlg對話框中，點擊全部保存按鈕來保存文件，程序即自動在 Build 函數(shù)中生成：

_Frame001 = new CATDlgFrame(this,“Frame001”,CATDlgFraNoTitle|CATDlgGrid Layout);

_Frame001 -> SetGridConstraints(0, 0, 1, 1, CATGRID_4SIDES);

……

本研究建立的飛機典型零件變型設(shè)計對話框如圖2所示.對于所有典型零件，都可以在對話框知識模板預覽中調(diào)用需要更改的初始三維模型，清晰可見.

圖2　典型零件變型設(shè)計對話框

5飛機典型零件變型設(shè)計方法的實現(xiàn)

飛機典型零件主要是根據(jù)其結(jié)構(gòu)和制造的相似性進行變型設(shè)計的.根據(jù)飛機典型零件的分類，對其參數(shù)、結(jié)構(gòu)進行分析，并通過CAA編程工具建立三維參數(shù)化模型，在參數(shù)化模型基礎(chǔ)上進行分類變型，即可完成典型零件的變型設(shè)計.典型零件變型設(shè)計可以分為尺寸參數(shù)變型和結(jié)構(gòu)特征變型.

5.1基于尺寸參數(shù)

通過參數(shù)化建模技術(shù)，建立飛機典型零件模型之后，若要實現(xiàn)對模型特征的尺寸修改，就需要對相應(yīng)特征的尺寸參數(shù)作修改，更新此類模型來形成新的模型.首先通過CATIA的二次開發(fā)技術(shù)，借助CAA編程工具，建立交互式設(shè)計界面，然后編寫程序，使典型零件模型中的尺寸參數(shù)與交互式界面對話框中的尺寸參數(shù)相關(guān)聯(lián)，尺寸參數(shù)相互驅(qū)動，最后通過更改其中的尺寸參數(shù)來實現(xiàn)變型設(shè)計.其主要實現(xiàn)過程如圖3所示.

圖3　基于尺寸參數(shù)的飛機典型零件變型設(shè)計實現(xiàn)過程

5.2基于結(jié)構(gòu)特征

基于結(jié)構(gòu)特征的變型設(shè)計是一種基于特征實例的重用.特征是組成零件的最小單元，它不僅可以表達形狀信息，還可以表達尺寸約束等信息.結(jié)構(gòu)特征參數(shù)是動態(tài)參數(shù)，可以用來控制特征的形狀和位置，根據(jù)用戶的需求實現(xiàn)變型設(shè)計.結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系包括空間位置關(guān)系(location relation)、布爾運算關(guān)系(boolean relation)和層次關(guān)系(hierarchy relation)[8].空間位置關(guān)系是指零件特征中的尺寸公差；布爾運算關(guān)系是指零件特征之間的建模求和與求差；層次關(guān)系類似于層次分析法中的關(guān)系.

基于結(jié)構(gòu)特征的飛機典型零件變型設(shè)計以飛機典型幾何模型為基礎(chǔ)，用戶可以對飛機典型零件的凸臺、凹槽、孔、肋等特征進行刪除或添加，從而生成新的模型.其主要實現(xiàn)過程如圖4所示.

根據(jù)飛機典型零件的建模過程，設(shè)計者能夠?qū)υ械湫土慵Ｐ偷奶卣鬟M行刪除、添加，快速實現(xiàn)變型設(shè)計，達到飛機典型零件變型設(shè)計的目的.

6飛機典型零件的變型設(shè)計實例

飛機典型零件種類繁多，這里以拉桿1-2為例介紹變型設(shè)計方法.首先對拉桿進行特征分析，確定尺寸參數(shù)單耳片半徑r1、單耳孔半徑R1、單耳片厚度h、雙耳片半徑r2、雙耳孔半徑R2、雙耳片厚度H和雙耳片間距S；確定尺寸參數(shù)之后，利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)以及CAA編程工具，建立初始拉桿1-2模型；完成建模后，通過修改其尺寸參數(shù)，實現(xiàn)其參數(shù)變型.

(1)獲取當前文檔：

CATFrmEditor*spFrameEditor=CATFrm Editor::GetCurrentEditor();

CATDocument*pNewInstanceDoc=spFrame Editor->GetDocument();

(2)通過GetRootContainer()方法獲得文檔PrtContainer，并通過指向容器的指針pIPrtCont OnCAANewInstance獲取零件設(shè)計特征：

CATIPrtContainer*pIPrtContOn CAANew- Instance = NULL ;

pIPrtContOnCAANewInstance=(CATIPrtContainer*)pInitOnDoc->GetRoot Container("CATIPrt Container");

(3)對零件參數(shù)進行接口查詢：

CATInit *pInitOnDoc = NULL ;

rc = pNewInstanceDoc->QueryInterface(IID_CATInit,(void **) &pInitOnDoc);

(4)對零件參數(shù)進行遍歷：

CATISpecObject_var spSpecName=List Found[i];

sPPublish->GetAllChildren("CATICke Parm",ListFound);

(5)將交互式界面的參數(shù)與模型中參數(shù)關(guān)聯(lián)，完成模型更新：

CATICst_var spPrism(ListCst[i]);

spPrism->SetRealValue(W[i]);

零件特征參數(shù)化變型前后的拉桿1-2如圖5所示.顯然，利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)以及CAA編程工具，能夠?qū)︼w機典型零件參數(shù)化建模，實現(xiàn)變型設(shè)計.

圖5　零件特征參數(shù)化變型前后的拉桿1-2

7結(jié)束語

利用CAA編程工具對三維軟件CATIA技術(shù)進行二次開發(fā)，通過面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言，設(shè)計人員的思想與三維軟件相結(jié)合，實現(xiàn)飛機典型零件的變型設(shè)計，使用戶在產(chǎn)品設(shè)計中更具有專業(yè)性和目的性.通過實例建模驗證，飛機典型零件的變形設(shè)計能夠在CATIA系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，提高設(shè)計工作效率.

參考文獻:

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Variant Design of Typical Parts of Plane Based on CATIA

LIU Ming1, HAO Bo2, SUN Sheng-li1

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Liaoning Mechatronics College,Dandong 118009,China)

Abstract：To improve the efficiency of product design, the technology of component framework has been researched. Using CAA of CATIA secondary development, the typical parts of the product variant design was established on the basis of the parametric modeling technique, the feature information was extracted quickly and the intelligent operation was realized. Using object-oriented programming language, a variant design with CATIA system integration module has been developed, the product efficiency of plane typical parts was improved greatly. As an example, the pull rod in the typical parts machine and the methods of variant design are verified.

Key words:CAA; variant design; typical parts of plane; secondary development

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.01.002

中圖分類號：TP39

文獻標識碼：A

作者簡介：劉明(1988-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61170146)

收稿日期：2015-09-19

文章編號：1006-3269(2016)01-0006-06