基于NX的試驗工裝三維自頂向下設(shè)計方法研究

楊博，呂頌，王小蒙，沈躍

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

1 引言

智能設(shè)計是現(xiàn)代化設(shè)計與制造的突出特點(diǎn)，與傳統(tǒng)CAD理念的重要區(qū)別是其完全基于自頂向下的正向設(shè)計過程。所謂自頂向下設(shè)計，簡單來說就是在裝配環(huán)境中進(jìn)行零部件設(shè)計，通過定義零件之間的相互關(guān)聯(lián)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)部和零部件之間全部相關(guān)參數(shù)的修改，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計效率，同時還可以降低成本[1～3]。在國內(nèi)的應(yīng)用據(jù)調(diào)查最早開始于十幾年前，并且在艦船、兵器及工程機(jī)械的各個領(lǐng)域均有應(yīng)用[4～6]，而在航空航天，特別是試驗驗證領(lǐng)域的應(yīng)用卻鮮有報道。本文將自頂向下的設(shè)計方法應(yīng)用于試驗工裝的設(shè)計，填補(bǔ)了相關(guān)科研領(lǐng)域的空白。

2 三維自頂向下設(shè)計方法

三維自頂向下設(shè)計是通過建立頂層設(shè)計方案規(guī)劃，并逐級向下傳遞，作為下一級設(shè)計準(zhǔn)則的設(shè)計方法，使整體設(shè)計方案最終形成一條完美的閉環(huán)鏈條。該方法通過定義總體與部件、部件與零件及總體與零件間的相互關(guān)聯(lián)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)總體與部件、部件與部件、部件與零件及零件與零件之間的重要特征參數(shù)聯(lián)動。具體功能主要通過wave部件間鏈接器實(shí)現(xiàn)。

以航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻效果試驗工裝的設(shè)計為例，自頂向下依次為總體層（950總圖），部件層（試驗件、801轉(zhuǎn)接段、802試驗段、803排氣段及804采用3D打印工藝的集氣盒組件），零件層（每個部件下羅列了相關(guān)重要零件從001前支板到026右陪襯件導(dǎo)流盒）。建模時，首先建立950總圖，接著在其裝配模塊下插入給定的試驗件模型，并新建部件801～804，所有部件均采用試驗件模型的基準(zhǔn)，然后依次在各個部件裝配模塊下新建相應(yīng)的零件模型001～026。至此三維自頂向下設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)模型骨架已搭載完成。

這一部分工作內(nèi)容主要關(guān)注自頂向下設(shè)計框架結(jié)構(gòu)的搭建及所有模型零部件基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

3 詳細(xì)設(shè)計的基本流程

進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計階段的重點(diǎn)設(shè)計內(nèi)容就是用wave部件間連接器創(chuàng)建各模型間的重要特征尺寸關(guān)聯(lián)，以航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻效果試驗工裝的詳細(xì)設(shè)計為例，如圖1所示。首先需要對001前支板進(jìn)行建模，接著利用wave部件間鏈接器傳遞特征參數(shù)下緣板弧長、半徑及厚度對002前支板支撐條進(jìn)行建模，同樣的方法建立003后支板及004后支板支撐條。接著通過傳遞葉柵截面重要特征尺寸及進(jìn)氣角建立005試驗段進(jìn)口內(nèi)套，建立006試驗段進(jìn)口外套依托的重要特征參數(shù)為葉柵截面尺寸、進(jìn)氣角及試驗段進(jìn)口內(nèi)套的長度，同樣方法建立007試驗段出口內(nèi)套及008試驗段出口外套。然后根據(jù)前支板與后支板的重要特征參數(shù)傳遞依次創(chuàng)建009頂板、010底板、011左側(cè)板及012右側(cè)板。最后創(chuàng)建013試驗段進(jìn)口法蘭和014試驗段出口法蘭，他們的特征參數(shù)傳遞母體分別為001前支板、005試驗段進(jìn)口內(nèi)套、006試驗段進(jìn)口外套及003后支板、007試驗段出口內(nèi)套、008試驗段出口外套。至此802試驗段部件下的重要零件基本創(chuàng)建完成，依照同樣的方法可以創(chuàng)建另外3個部件下的零件，這里不再贅述。在詳細(xì)設(shè)計過程中重要特征參數(shù)均進(jìn)行參數(shù)化變量命名，方便后期模型適應(yīng)性調(diào)整。

圖1航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻效果試驗工裝詳細(xì)設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

這一部分工作內(nèi)容主要關(guān)注wave部件間鏈接器的使用及參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用，由此可見，整個設(shè)計過程的關(guān)鍵因素主要有4點(diǎn)，如圖2所示，分別為自頂向下設(shè)計框架的搭建，全模型基準(zhǔn)的統(tǒng)一設(shè)定，重要特征尺寸參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用及wave部件間鏈接器的使用。

圖2試驗工裝自頂向下設(shè)計方法關(guān)鍵因素魚骨圖

4 在試驗工裝設(shè)計中的應(yīng)用

以某航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片冷卻效果試驗工裝的設(shè)計為例，應(yīng)用上述三維自頂向下設(shè)計方法，首先建立設(shè)計框架。設(shè)計過程中對焊接工藝處理的結(jié)構(gòu)件均施加了固定約束，對有拆裝要求的緊固類標(biāo)準(zhǔn)件根據(jù)實(shí)際情況添加了相應(yīng)的約束。

最終設(shè)計完成如圖3所示，從圖中可以看出，應(yīng)用該方法設(shè)計出的模型干凈、清爽不冗繁且易修改，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。

圖3工作葉片試驗工裝設(shè)計成品

5 結(jié)論

文中對基于NX的自頂向下設(shè)計方法進(jìn)行了較為詳盡的研究，得到結(jié)論如下：

1）將設(shè)計過程區(qū)分為框架搭建及詳細(xì)設(shè)計2個部分，總結(jié)出該方法應(yīng)用過程中的4個關(guān)鍵因素；

2）將該設(shè)計方法應(yīng)用到試驗工裝的設(shè)計實(shí)踐中，得到了較好的設(shè)計產(chǎn)品；

3）該設(shè)計方法對其他復(fù)雜模型組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣具有較強(qiáng)的參考意義。