三維數(shù)字化技術(shù)在試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

翟曉　田振宇　張霽　姜文英

摘 要：主要闡述了基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)建立火箭發(fā)動(dòng)機(jī)靜力試驗(yàn)工裝三維模型的方法，并以后裙過渡框?yàn)槔肁NSYS Workbench有限元分析軟件對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，確保其安全性滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)靜力試驗(yàn)安裝要求及工裝裝配關(guān)系，對所建立的三維模型進(jìn)行虛擬裝配，優(yōu)化試驗(yàn)工藝，并對試驗(yàn)工裝關(guān)鍵連接部位進(jìn)行檢測，確保試驗(yàn)工裝的無干涉裝配。利用三維數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行火箭發(fā)動(dòng)機(jī)靜力試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)，不僅可以提高設(shè)計(jì)水平和效率，還可以模擬試驗(yàn)裝配過程，對試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：三維建模；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；虛擬裝配；干涉檢測

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.112

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過靜力試驗(yàn)來檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)性能，試驗(yàn)工裝用于模擬試驗(yàn)件兩端的邊界條件、傳遞載荷。傳統(tǒng)的試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)安全系數(shù)遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的安全系數(shù)。為了更加真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的邊界條件，目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求工裝強(qiáng)度要與試驗(yàn)件強(qiáng)度相近。在二維設(shè)計(jì)模式下，只能利用理論計(jì)算方法對試驗(yàn)工裝的安全性作初步的分析計(jì)算，不能獲得比較精確的安全系數(shù)。并且，試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)的合理性、與試驗(yàn)件的匹配度，只能在試驗(yàn)裝配過程中才能發(fā)現(xiàn)。一旦出現(xiàn)問題，勢必會(huì)影響試驗(yàn)進(jìn)展。

本文以固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)中使用的后裙過渡框試驗(yàn)工裝為例，介紹了利用CATIA軟件建立三維模型的方法，并通過ANSYSY Workbench軟件模擬受載情況，獲得其等效應(yīng)力云圖和整體變形云圖，以計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)工裝設(shè)計(jì)，從而保證試驗(yàn)工裝的安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。此外，利用CATIA裝配模塊對試驗(yàn)件及試驗(yàn)工裝按照靜力試驗(yàn)要求進(jìn)行虛擬裝配，形成安裝工序視頻，對關(guān)鍵連接部位的裝配情況進(jìn)行檢查，并無干涉現(xiàn)象。三維數(shù)字化技術(shù)取代了傳統(tǒng)的實(shí)物模裝，極大地提升試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)和裝配的效率、質(zhì)量，具有重要的推廣價(jià)值。

1 三維建模

后裙過渡框與固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的后裙連接，因此其連接孔尺寸、數(shù)量及分度圓要與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體保持一致，據(jù)此確定試驗(yàn)工裝的主要尺寸，再根據(jù)確定的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)工裝的建模。建模過程中，對于連接尺寸外的其他尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定。

利用CATIA軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，建立試驗(yàn)工裝的三維模型，通過三維建模、視圖定義、剖面定義、尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求等方式，完整、準(zhǔn)確表達(dá)和傳遞設(shè)計(jì)意圖。利用CATIA軟件可實(shí)現(xiàn)二、三維結(jié)合出圖，方便加工人員加工。圖1為與某型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體后裙過渡框工裝的三維模型，圖2為由三維模型轉(zhuǎn)成的二維圖紙。

此外，靜力試驗(yàn)用到的其他試驗(yàn)工裝有前裙過渡框、試驗(yàn)平臺(tái)、連接螺栓，都可以利用CATIA軟件建立三維模型。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在ANSYS Workbench有限元分析中，將模型的次要部分做簡化處理，可以在保證精度的基礎(chǔ)上減少計(jì)算量。本文將后裙過渡框的連接孔和倒角忽略，三維模型另存為.stp格式的文件，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench，對試驗(yàn)工裝的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析。在靜力試驗(yàn)過程中，后裙過渡框與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體連接的端面處受均勻分布力，并且后裙過渡框?yàn)檩S對稱結(jié)構(gòu)。因此，為了提高計(jì)算速度，取模型的1/4進(jìn)行分析。

后裙過渡框材料為45鋼，彈性模量E=230 GPa，泊松比υ=0.3，質(zhì)量密度ρ=7.8×103 kg/m3。利用六面體網(wǎng)格劃分（Hex Dominant）方法對后裙過渡框的1/4模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對底部進(jìn)行約束，令其x，y，z三個(gè)方向的位移為零、上端面均勻受力。過渡框與試驗(yàn)件連接處承壓載荷為F=2 800 kN，在1/4模型中過渡框的上端面受力為F=700 kN。后裙過渡框的載荷分布情況見圖3.

由于是靜力分析，只需利用ANSYS Workbench軟件默認(rèn)求解器求解運(yùn)算。求解完成后，在后處理器中導(dǎo)出后裙過渡框的等效應(yīng)力（von-Mises Stress）云圖和整體變形（Total Deformation）云圖，如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，后裙過渡框承受的最大應(yīng)力為180.8 MPa，位置為加強(qiáng)筋與上端面的交界處。從圖5可以看出，后裙過渡框的最大位移為0.138 mm。

在靜力試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)中，引起設(shè)備破壞載荷與工作中對其施加載荷之比稱為“安全系數(shù)”。45鋼的安全許用應(yīng)力為σs=355 MPa，因此后裙過渡框的安全系數(shù)n為：

≤2. （1）

因此，按照試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)的后裙過渡框既能滿足工裝安全性要求，同時(shí)其強(qiáng)度與試驗(yàn)件強(qiáng)度相近，又滿足工裝強(qiáng)度要求。

3 虛擬裝配及靜態(tài)干涉檢查

3.1 虛擬裝配

虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)境，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。

為了區(qū)別不同的零/部件，先對試驗(yàn)件與試驗(yàn)工裝配以不同顏色，再將前、后裙過渡框、連接螺栓、試驗(yàn)平臺(tái)等試驗(yàn)工裝和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的三維數(shù)字模型導(dǎo)入CATIA軟件的裝配設(shè)計(jì)模塊中，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真裝配。通過運(yùn)用相合、接觸和角度等約束，將后裙過渡框固定于試驗(yàn)平臺(tái)上，并將前、后裙過渡框分別與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的前、后裙連接孔固定，實(shí)現(xiàn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)裝配的數(shù)字化模擬。圖6為某型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)虛擬裝配后的安裝圖。

在CATIA軟件的數(shù)字化裝配（DMU）模塊中，可以將虛擬裝配步驟記錄下來，并保存成DMU動(dòng)畫或視頻的形式，在正式裝配前方便技術(shù)人員及裝配人員查看電子樣機(jī)。虛擬裝配與實(shí)際裝配過程相結(jié)合，不僅可以提高三維數(shù)字化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用水平，還可以形成試驗(yàn)裝配要點(diǎn)，形成規(guī)范化文件，用于指導(dǎo)試驗(yàn)現(xiàn)場安裝。

3.2 干涉分析

在試驗(yàn)件裝配完成后，需要進(jìn)行裝配分析。CATIA軟件的裝配模塊具有各種功能性檢測手段，如安裝、拆卸、干涉檢查、截面掃描等，可以檢查試驗(yàn)工裝與試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)工裝與試驗(yàn)件的裝配情況。利用虛擬裝配技術(shù)的檢測功能，可以對裝配的關(guān)鍵部位及截面進(jìn)行檢查。在該試驗(yàn)中，需要檢測發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的前（后）裙與前（后）裙過渡框的連接情況。選取關(guān)鍵截面，如圖7，殼體前裙與前裙過渡框的螺栓連接間隙檢測結(jié)果見圖8（a），后裙與后裙過渡框的連接間隙檢測結(jié)果見圖8（b）。檢測結(jié)果表明，前、后裙過渡框尺寸設(shè)計(jì)合理，與殼體前、后裙未發(fā)生干涉、碰撞，復(fù)合試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)要求。

由于虛擬裝配技術(shù)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)過程最為關(guān)鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在虛擬裝配過程中不斷對試驗(yàn)工裝進(jìn)行驗(yàn)證，大部分設(shè)計(jì)錯(cuò)誤都能被發(fā)現(xiàn)和避免，縮短了工裝研制周期，降低了設(shè)計(jì)實(shí)物及試驗(yàn)工裝更改的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，本文針對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)工裝進(jìn)行了基于CATIA軟件的三維建模和基于ANSYS Workbench軟件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。在設(shè)計(jì)過程中，可以依據(jù)試驗(yàn)室現(xiàn)有條件設(shè)計(jì)出試驗(yàn)工裝的三維模型，并通過分析試驗(yàn)工裝承載時(shí)的變形情況，確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可以減輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的無效質(zhì)量，減小體積，獲得最優(yōu)化的試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)方法。

CATIA軟件的虛擬裝配技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)裝配工藝依賴設(shè)計(jì)人員及操作人員經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn)，可以將試驗(yàn)裝配預(yù)先在計(jì)算機(jī)上完成。一方面，可以在虛擬裝配模式下對裝配情況進(jìn)行干涉檢查，提前發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤和誤差，及時(shí)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)工裝的無干涉裝配；另一方面，通過虛擬裝配過程視頻可以指導(dǎo)現(xiàn)場試驗(yàn)裝配，縮短了試驗(yàn)準(zhǔn)備周期，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)過程與裝配過程的高度統(tǒng)一。

將三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體靜力試驗(yàn)中，能夠有效提升火箭發(fā)動(dòng)機(jī)靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平，為行業(yè)的數(shù)字化和系統(tǒng)化發(fā)展提供借鑒。

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作者簡介：翟曉（1984—），女，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

〔編輯：劉曉芳〕