長(zhǎng)桁快速展開建模技術(shù)研究

郭中華 陳金平 陽(yáng)波 楊亮（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安，710089）

長(zhǎng)桁快速展開建模技術(shù)研究

郭中華 陳金平 陽(yáng)波 楊亮
（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安，710089）

為了同時(shí)滿足減重和強(qiáng)度的要求，現(xiàn)代飛機(jī)長(zhǎng)桁具有大量開口、斜切等特征，而現(xiàn)有的手工展開建模的方法存在展開精度差、建模效率低、容易出錯(cuò)等問題?；陂L(zhǎng)桁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文對(duì)長(zhǎng)桁特征映射算法進(jìn)行了研究，提出了一種長(zhǎng)桁快速展開建模的方法，該方法以CATIA為平臺(tái)，可以自動(dòng)、高效、準(zhǔn)確地完成大量展開建模工作，縮短了展開建模周期，提高工作效率。

長(zhǎng)桁；特征映射；展開建模

由于要考慮氣動(dòng)性能，所以現(xiàn)代飛機(jī)的外形通常為光滑自由曲面，長(zhǎng)桁造型受飛機(jī)外形限制，大多扭曲復(fù)雜［1］。在成型工藝上，若直接使用銑削加工，則加工時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低，材料去除量大等。通常采用的方法是先加工出展開狀態(tài)下的長(zhǎng)桁，再利用彎扭工藝實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)桁的最終成型［2］，與前者相比，后者的毛坯體積小，加工時(shí)間短，加工成本低，同時(shí)能獲得很好的長(zhǎng)桁整體性能。

現(xiàn)有的長(zhǎng)桁展開建模方法是以長(zhǎng)桁軸線為展開基準(zhǔn)進(jìn)行特征傳遞，并利用傳遞后特征進(jìn)行建模，展開的前后期都有大量的長(zhǎng)桁特征需要人工處理［3］，任何一點(diǎn)失誤都可能導(dǎo)致長(zhǎng)桁零件的報(bào)廢。

目前國(guó)內(nèi)研制的大型飛機(jī)，其長(zhǎng)桁長(zhǎng)度均大于過去各類機(jī)型，外形也更加復(fù)雜，同時(shí)長(zhǎng)桁還具有大量的開口、斜切等外部特征，如圖1所示。對(duì)于目前的長(zhǎng)桁零件，由于現(xiàn)有方法的人工處理步驟過多，展開工作的準(zhǔn)確性很難保證，因此，需要采用更高效的自動(dòng)化手段才能滿足現(xiàn)階段的科研生產(chǎn)需求。

1 長(zhǎng)桁的展開原理

長(zhǎng)桁的最終成型需要經(jīng)過彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形兩個(gè)過程。將長(zhǎng)桁變形離散至各個(gè)長(zhǎng)桁截面，可理解為，每個(gè)長(zhǎng)桁截面在平面內(nèi)的平移與旋轉(zhuǎn)，通過長(zhǎng)桁截面間的連續(xù)傳遞最終形成了長(zhǎng)桁的彎扭形狀。因此，對(duì)于長(zhǎng)桁的展開數(shù)模而言，既要保證長(zhǎng)桁各個(gè)截面沿同一方向排列，又要滿足每個(gè)截面的相互對(duì)齊。

根據(jù)材料變形原理可知，對(duì)于任何一種材料而言，在外載荷作用下發(fā)生應(yīng)變，肯定是一側(cè)發(fā)生伸長(zhǎng)，而另一側(cè)發(fā)生縮短，而伸長(zhǎng)和縮短的應(yīng)變量將向材料中心逐漸減少，直至為零，這個(gè)應(yīng)變量為零的縱向截面就是該材料的應(yīng)變中性層。由于長(zhǎng)桁的彎曲曲率通常比較?。?］，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在工程上，將長(zhǎng)桁應(yīng)變中性層近似為幾何中性層，則截面形心連線（以下稱為中性線）必然位于中性層內(nèi)，其長(zhǎng)度即為展開長(zhǎng)桁的長(zhǎng)度。

長(zhǎng)桁展開前后映射關(guān)系為：

圖1 典型長(zhǎng)桁零件

圖2 系統(tǒng)模塊劃分

2 長(zhǎng)桁的快速展開步驟

長(zhǎng)桁零件通常采用"減料法"建模［4］，即先作出長(zhǎng)桁的主體特征數(shù)模（T字型、工字型、Z字型等型材結(jié)構(gòu)），再在主體數(shù)模上進(jìn)行“減料”操作作出開口、斜切、開孔等外部特征。

根據(jù)長(zhǎng)桁零件的建模特點(diǎn)，展開建模同樣可以通過“減料法”實(shí)現(xiàn)，其主要步驟為：1）拾取展開所需的幾何元素（基準(zhǔn)肋平面、長(zhǎng)桁實(shí)體、長(zhǎng)桁基準(zhǔn)線、長(zhǎng)桁基準(zhǔn)面、長(zhǎng)桁上下腹板外形線、長(zhǎng)桁特征點(diǎn)等）；2）作出截面，確定所有截面形心點(diǎn)，所有形心點(diǎn)連線作出中性線；3）以中性線為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)桁截面重構(gòu)，完成主體建模；4）對(duì)長(zhǎng)桁上下腹板外形線進(jìn)行二次提取，在長(zhǎng)桁主體數(shù)模上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)桁上下腹板外形線的重構(gòu)，同時(shí)作出長(zhǎng)桁特征點(diǎn)在展開中的映射，利用重構(gòu)后外形線與長(zhǎng)桁特征點(diǎn)，完成長(zhǎng)桁外部特征建模。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)桁的快速展開建模，就要避免設(shè)計(jì)人員在反復(fù)操作上浪費(fèi)時(shí)間，因此按建模步驟進(jìn)行模塊劃分。如圖2所示，系統(tǒng)主要包括展開基準(zhǔn)線構(gòu)建、長(zhǎng)桁主體特征提取及重構(gòu)、長(zhǎng)桁外部特征提取及重構(gòu)等三個(gè)模塊。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

系統(tǒng)的三個(gè)模塊主要涉及了交互信息二次提取、長(zhǎng)桁特征重構(gòu)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，下文就關(guān)鍵技術(shù)在模塊中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明。

3.1 展開基準(zhǔn)線構(gòu)建

展開基準(zhǔn)線是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)桁特征重構(gòu)的基礎(chǔ)。根據(jù)建模原理，對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行反向推導(dǎo)，首先取消設(shè)計(jì)數(shù)模中的所有外部特征，得到長(zhǎng)桁主體數(shù)模，然后過長(zhǎng)桁軸線上肋位點(diǎn)作長(zhǎng)桁軸線的法平面，法平面與長(zhǎng)桁主體相交作出長(zhǎng)桁截面，對(duì)截面拆解，分別量取各元素尺寸，如圖3所示。

若截面底部為非圓弧曲線，考慮到其曲率較小，取其兩端點(diǎn)及中點(diǎn)，作出三點(diǎn)圓弧對(duì)該曲線擬和處理。擬合圓弧半徑為Ri，圓心角為θi，該截面形心坐標(biāo)（yi，zi）為：

連接所有形心點(diǎn)作樣條線，此樣條線即為中性線。在空間中任意作一平面，平面中任意作一條與中性線等長(zhǎng)直線作為展開基準(zhǔn)線。

圖3 長(zhǎng)桁截面示意圖

圖4 設(shè)計(jì)長(zhǎng)桁中坐標(biāo)系

3.2 長(zhǎng)桁主體特征的提取及重構(gòu)

根據(jù)式（1）以及3.1中所得到的展開基準(zhǔn)線，建立一個(gè)基于笛卡爾坐標(biāo)系的傳遞規(guī)則。展開前坐標(biāo)系原點(diǎn)為肋平面與長(zhǎng)桁軸線的交點(diǎn)由式（1）可得到展開前原點(diǎn)在展開基準(zhǔn)線上的映射。展開前后兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系分別為和

提取3.1中各拆解元素的構(gòu)造點(diǎn)，利用式（3）計(jì)算出每一個(gè)構(gòu)造點(diǎn)在展開上的映射，將所有構(gòu)造點(diǎn)按原元素方式進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)元素接合成展開截面。利用所有截面掃掠形成實(shí)體，完成長(zhǎng)桁的主體特征建模。

3.3 長(zhǎng)桁外部特征的提取及重構(gòu)

外部特征的提取及重構(gòu)模塊的開發(fā)思路為：首先，將上下腹板外形線拆解為直線與圓弧兩類元素，提取各元素構(gòu)造點(diǎn)，接著將元素構(gòu)造點(diǎn)投影至中性線上，利用式（1）作出投影點(diǎn)在展開基準(zhǔn)線上的映射，然后參考3.2所述步驟，建立相應(yīng)坐標(biāo)系，完成外形線的重構(gòu)。對(duì)于非外形線上的切割特征，如腹板凸臺(tái)、立筋斜切，過油孔等，該類特征種類多，建模自由度高，方法不統(tǒng)一，難以全部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化。此類特征提取其構(gòu)造特征點(diǎn)，如構(gòu)造起止點(diǎn)，孔圓心點(diǎn)等，再作出特征點(diǎn)在展開上的映射，最后參考長(zhǎng)桁建模步驟，利用展開后特征點(diǎn)對(duì)這些外部特征進(jìn)行重構(gòu)。模塊具體步驟如圖5所示。

需要說明的是，長(zhǎng)桁的彎曲曲率較小，因此，直線與圓弧在展開上的重構(gòu)也以直線和圓弧近似處理，實(shí)踐證明，這種近似處理誤差在工程應(yīng)用允許的范圍之內(nèi)。

圖5 外部特征重構(gòu)流程

4 長(zhǎng)桁快速展開系統(tǒng)及實(shí)例

4.1 長(zhǎng)桁快速展開系統(tǒng)

系統(tǒng)界面中設(shè)計(jì)有各個(gè)元素的交互拾取控件，便于設(shè)計(jì)人員操作使用，如圖6所示，按系統(tǒng)要求分別拾取所需的各類元素。

圖6 長(zhǎng)桁快速展開系統(tǒng)界面

4.2 應(yīng)用實(shí)例

以某型號(hào)機(jī)翼長(zhǎng)桁為例，為了便于用戶對(duì)比，系統(tǒng)默認(rèn)將展開數(shù)模放置在展開平面的投影方向上。三個(gè)模塊的運(yùn)行效果分別如圖7a、圖7b、圖7c所示。在得到所有的外形特征構(gòu)造元素后，利用重構(gòu)外形線對(duì)上下腹板進(jìn)行切割，再結(jié)合重構(gòu)特征點(diǎn)作出立筋端頭切割面、凸臺(tái)輪廓、過油孔等特征元素，接著用切割、凸臺(tái)、孔等命令形成特征實(shí)體，長(zhǎng)桁展開建模后效果如圖7d所示。

圖7 長(zhǎng)桁快速展開系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)論

本文對(duì)長(zhǎng)桁快速展開建模的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，基于CATIA V5二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)桁主體建模和外部特征元素映射。實(shí)踐證明該系統(tǒng)能完成長(zhǎng)桁展開建模中涉及的大部分步驟，從而幫助設(shè)計(jì)人員高效準(zhǔn)確的完成相關(guān)工作。但本方法存在部分近似處理，無(wú)法在工程上實(shí)現(xiàn)無(wú)余量加工，隨著有限元仿真技術(shù)的大量應(yīng)用，今后需繼續(xù)研究基于有限元仿真技術(shù)的特征映射算法，實(shí)現(xiàn)更高精度的長(zhǎng)桁展開建模。

（References）

［1］裴蕾.基于知識(shí)的飛機(jī)長(zhǎng)桁類結(jié)構(gòu)件快速設(shè)計(jì)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

［2］田愛萍.ARJ21復(fù)雜雙曲面長(zhǎng)桁類零件彎扭復(fù)合冷成型方法［J］.西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008（26）：11-13.

［3］張耀平，陳金平，黨建衛(wèi)，等.飛機(jī)長(zhǎng)桁類零件工藝板坯數(shù)模的展開設(shè)計(jì)［J］.航空制造技術(shù)，2015（15）∶33-35.

［4］沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所結(jié)構(gòu)部.飛機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)加件CATIA V5規(guī)范化建模［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2015∶65-100.

［5］張卡，張道俊，盛業(yè)華，等.三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的兩種方法及其比較研究［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2008，38（23）：121-127.