基于CATIA的航空發(fā)動機(jī)模型開發(fā)

張帆

摘 要：通過開發(fā)航空發(fā)動機(jī)模型，改變以往的平面圖形教學(xué)模式，使學(xué)生思維在立體上有深刻印象。本文講述了，利用CATIA軟件建立cfm56-7b發(fā)動機(jī)的模擬模型，以及利用3D打印機(jī)打印實(shí)物模型的方法，著重闡述了建模思路，CATIA的操作流程。實(shí)物主要由龍門式單噴嘴打印機(jī)打印，打印時的參數(shù)調(diào)整及設(shè)置。

關(guān)鍵詞：模型開發(fā)；航空發(fā)動機(jī)；3D打印

隨著教育方法設(shè)施的不斷完善擴(kuò)展，三維建模設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)在科教行業(yè)得到了廣泛運(yùn)用，同時正在迅速發(fā)展?；贑ATIA平臺的三維建模技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，為教學(xué)提供了一種很好的工具，對教學(xué)和研究都起了很大的促進(jìn)作用，具有很大實(shí)用性。該種技術(shù)完全是在虛擬的環(huán)境下對構(gòu)件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模，并且能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，這樣能夠更清楚的體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而提高了教學(xué)多元化。再運(yùn)用3D打印，得到模型的各實(shí)體部件，能讓學(xué)生對相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)原理及裝配有更深入的理解。

在CATIA中進(jìn)行制圖，然后另存為stl格式軟件，用Cura DGO _14.07.01打開stl格式文件，進(jìn)行打印時的調(diào)整。并輸出格式為gcode文件，儲存在sd卡中。最后將sd卡插入3d打印機(jī)開始進(jìn)行打印。主要進(jìn)行的是民用航空發(fā)動機(jī)cfm56-7b發(fā)動機(jī)的三維建模，因此需要準(zhǔn)備相應(yīng)的參數(shù)資料，737-600/700/800/900的AMM手冊和IPC手冊，Cfm56剖面圖。主要查閱部件的具體位置，數(shù)量，各自的相對應(yīng)關(guān)系，和進(jìn)行輪廓的勾勒。

1 發(fā)動機(jī)三維模型的實(shí)現(xiàn)

打開CATIA軟件，點(diǎn)擊開始按鈕→形狀→sketch tracer，插入cfm56-7b的剖面圖，在cfm56-7b發(fā)動機(jī)的中軸線上設(shè)置原點(diǎn)坐標(biāo)。進(jìn)行輪廓描繪。描繪好后右擊Product→部件→新零件，建立一個新的part，命名的時候不可以用漢語，只能用英文字母或數(shù)字。然后雙擊此part進(jìn)入零件設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊y-z平面→草圖編輯器按鈕，進(jìn)入草圖編輯。

1.1 風(fēng)扇部分建模

在已插入的平面圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行繪制，先畫出風(fēng)扇的整流錐前部，并對其進(jìn)行加工，挖取螺栓槽，并對整流錐后部進(jìn)行建模。其次對風(fēng)扇輪盤進(jìn)行建模，在輪盤實(shí)體上面利用開槽命令開榫槽， 如圖1所示。

之后對葉片進(jìn)行建模，考慮到葉片本身是沿葉高方向扭轉(zhuǎn)的。因此在空間建立多個個平行的平面，多個平面應(yīng)該包括葉片的根部，扭轉(zhuǎn)角度最大的部位，以及葉尖。建立完成后，分別在三個平面繪制相應(yīng)位置的葉型截面圖，繪制完成后退出操草圖編輯器，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)平臺。點(diǎn)擊多截面實(shí)體按鈕，依次選取多個截面，正確選取后，點(diǎn)擊預(yù)覽按鈕，最后點(diǎn)擊確定，葉片模型建立完畢。如圖2所示。

并對此葉片添加與輪盤相對應(yīng)的凸臺特征，便于以后的裝配。最后對保持環(huán)和法蘭盤進(jìn)行建模。至此風(fēng)扇部分的建模工作基本完成。

1.2 其余轉(zhuǎn)子部分建模

同風(fēng)扇部分是相似的，首先查閱手冊得知低壓壓氣機(jī)共有三級，高壓壓氣機(jī)有九級，高壓渦輪一級，低壓渦輪四級。低壓壓氣機(jī)動葉數(shù)量分別是74，78，74。靜葉數(shù)量分別是進(jìn)口導(dǎo)向葉片是108，其余都為136。高壓壓氣機(jī)動葉數(shù)量分別是38，53，60，

68，75，82，82，80，78。靜葉數(shù)量分別是42，82，84，72，100，96，

110，120，110。高壓渦輪動葉數(shù)量為80，靜葉數(shù)量為42。低壓渦輪的動葉數(shù)量為162，150，150，134。靜葉數(shù)量分為96，108，140，132。開始正式建模，首先建立轉(zhuǎn)子部分，以cfm56-7b的剖面圖為背景，描繪轉(zhuǎn)子輪廓，包括三級低壓壓氣機(jī)的輪盤輪轂，高壓壓氣機(jī)九級的輪盤輪轂，高壓渦輪的輪盤，以及低壓渦輪的各級輪盤。

草圖繪制完成之后，退出草圖編輯器。以橫軸（橫軸應(yīng)位于背景剖視圖的軸線）為旋轉(zhuǎn)軸，將草圖進(jìn)行實(shí)體旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)實(shí)體完成之后開始對各級輪盤外表面建立相應(yīng)的榫槽特征。之后對各級的葉片進(jìn)行建模，高壓壓氣機(jī)葉型要求各級沿葉高方向有扭轉(zhuǎn)，渦輪沿葉高方向扭轉(zhuǎn)較少。利用多截面實(shí)體，新建平面和凸臺命令，將轉(zhuǎn)子各級葉片模型建立完成，進(jìn)行裝配后，點(diǎn)擊陣列，選擇圓形陣列，陣列方式選擇完整徑向，數(shù)量選擇各級的葉片數(shù)量即可將轉(zhuǎn)子部分建模工作基本完成。

如圖3所示為高壓壓氣機(jī)部分。

1.3 靜子部分建模

首先進(jìn)行的是手冊的查詢，得到相應(yīng)的各級葉片數(shù)量后，在背景剖視圖的基礎(chǔ)上對靜子部分開始建模，描繪輪廓，完成基本草圖的繪制。退出草圖編輯器，施加旋轉(zhuǎn)特征。得到外機(jī)匣和靜子葉片內(nèi)環(huán)，此時我們可以選擇在外機(jī)匣內(nèi)壁建立新平面，直接對葉片進(jìn)行建模，省去后期裝配的過程。在零件設(shè)計(jì)平臺，點(diǎn)擊新建點(diǎn)按鈕，選擇點(diǎn)在曲面上，選擇靜子葉根所在的曲面，將此空間點(diǎn)建立在此處曲面上。之后點(diǎn)擊新建平面，選擇曲面的切線，選取曲面，選取點(diǎn)，完成與此曲面相切此點(diǎn)的平面構(gòu)建。然后以這個平面為基礎(chǔ)對葉片進(jìn)行建模，對于高壓壓氣機(jī)而言，需要在建立完成此平面后，建立與平面平行，但垂直距離為此級靜子葉高的平面，并于兩平面間在建立兩到三個平面，以完成葉片需要扭轉(zhuǎn)的需求。由于渦輪葉片對于扭轉(zhuǎn)的需要不高，我們只在葉根和葉尖建立兩個平面即可。至此靜子部分的建模工作基本完成。

2 其余部分的補(bǔ)充建模

考慮到建模的主要目的是為了教學(xué)，我們將除去主要的轉(zhuǎn)子和靜子部分之外的結(jié)構(gòu)單獨(dú)對其進(jìn)行建模。主要包括滾珠軸承和圓柱軸承，封嚴(yán)裝置，燃燒室，燃燒室附帶的油路裝置，尾噴，尾噴部分的支板和整流錐。建模的整體思路還是先進(jìn)行輪廓的描述，之后進(jìn)行三維特征的建立，對于剖視圖上沒有表達(dá)清楚的部分，我們需要自習(xí)的查詢手冊，進(jìn)行求證。

3 輸出三維實(shí)物模型

我們可以將繪制好的三維模型進(jìn)行3D打印，這樣在教學(xué)方面會給學(xué)生帶來更直觀的印象。打印機(jī)的類型為龍門式，打印材料為PLA，直徑為1.75mm。打印時先將CATIA文件另存為格式為.stl的文件，以便于用cura軟件打開，進(jìn)行打印前的調(diào)整。層高一般設(shè)置為0.1至0.3，外殼厚度設(shè)為1.2，開啟回抽，設(shè)置底部/頂部厚度為1.2，填充密度為百分之25，打印速度為60mm每秒。在打印前對打印機(jī)進(jìn)行調(diào)平，并在熱床平臺上貼上紙膠帶，便于打印完成后模型的取下。由于打印機(jī)的精度問題，對于不便于一次成型的部分，我們可以分開打印，之后對實(shí)物進(jìn)行粘合。

4 結(jié)論

CFM56系列發(fā)動機(jī)在世界民航發(fā)動機(jī)仍然占有很大的份額，本課題以CATIA為平臺，根據(jù)CFM56-7發(fā)動機(jī)的AMM手冊、IPC手冊，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模，過程中學(xué)習(xí)了發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和CATIA軟件的建模方法技巧，最后用3D打印機(jī)將部件打印成實(shí)體，用于教學(xué)目的。

本文有以下一些突出特點(diǎn)：

1）在建模過程中，使用了插入圖片作為背景，通過描摹來畫草圖的方法，與運(yùn)用測量畫草圖的方法相比，使畫出的草圖更加精準(zhǔn)，各個部件之間的比例關(guān)系更加協(xié)調(diào)。

2）在開榫槽時從AMM手冊找到了榫槽截面圖，描繪出了準(zhǔn)確的模型草圖，然后通過圓弧中心線開槽，使輪盤模型上的榫槽更逼真，更接近實(shí)際。

3）有些結(jié)構(gòu)的剖視圖沒有該結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，但是我通過閱讀AMM手冊，分析IPC手冊，建立起了符合功能和結(jié)構(gòu)要求的模型。

4）重點(diǎn)注意壓氣機(jī)葉片，靜子葉片，渦輪葉片它們的葉盆，葉背之間的相互關(guān)系，查找相應(yīng)的資料，對應(yīng)流場關(guān)系，正確的確定它們的關(guān)系。

本文也存在一些不足的地方：

1）由于缺乏實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，忽略了建立的模型和實(shí)際的打印成品之間各環(huán)節(jié)存在的誤差，沒有考慮到打印機(jī)的打印質(zhì)量，使成品較粗糙。

2）由于技術(shù)封鎖，缺乏一些關(guān)鍵參數(shù)，使葉片模型沒法用于更深層次的研究。

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