一種民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模方法研究與應(yīng)用

賴(lài)輝，陳曉峰，趙博偉

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092）

0 引 言

當(dāng)前結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建主要以幾何模型為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)質(zhì)量主要依靠設(shè)計(jì)人員的水平來(lái)保證，存在大量重復(fù)特征創(chuàng)建及規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)查詢(xún)工作，不利于結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的快速化和標(biāo)準(zhǔn)化。

目前民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模主要采用模擬加工過(guò)程的布爾操作法，發(fā)展方向主要有參數(shù)化建模、基于特征的建模方法以及基于知識(shí)工程的建模方法。G.Y.Kim基于CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了四種模型模板，有效降低了汽車(chē)沖壓模具建模 時(shí) 間；W.Skarka將MOKA方 法 應(yīng) 用 于CATIA建模過(guò)程中以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的識(shí)別、獲取及解釋?zhuān)磺睾７?、張中磊等?duì)基于特征的航空鈑金零件快速建模方法進(jìn)行了研究，可以實(shí)現(xiàn)部分典型航標(biāo)鈑金特征的快速生成；戴先俊等開(kāi)發(fā)了一種基于知識(shí)工程的飛機(jī)機(jī)加件快速設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)了部分典型零件的快速生成；劉滕對(duì)典型航空零件參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，將知識(shí)工程融入?yún)?shù)化模型中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用；施彬彬?qū)⒅R(shí)工程應(yīng)用于復(fù)合材料模具支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，將獲取的知識(shí)以參數(shù)的形式加入模具設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了模具支撐結(jié)構(gòu)的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)。上述研究中，對(duì)部分特征的快速生成及參數(shù)化與知識(shí)工程的融合進(jìn)行了探索，取得了一些成果，但是基本都是從設(shè)計(jì)端考慮，設(shè)計(jì)結(jié)果的工藝性難以保證。

本文基于CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，提出快速構(gòu)建民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型的方法。首先對(duì)民用飛機(jī)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工特征分解，將零件幾何模型構(gòu)建分解為逐個(gè)調(diào)用加工特征模板，模擬減材加工工序，去除材料，完成零件創(chuàng)建的過(guò)程；其次創(chuàng)建各加工特征對(duì)應(yīng)的特征模板，并將知識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)等融合進(jìn)模板中，形成模板庫(kù)；然后通過(guò)開(kāi)發(fā)的可視化界面調(diào)用相應(yīng)加工特征模板，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)幾何模型構(gòu)建效率；最后以下陷特征為例，對(duì)本文建模方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

二次開(kāi)發(fā)就是把商品化、通用化的系統(tǒng)用戶化、本地化的過(guò)程。CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)即以CATIA系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，研制開(kāi)發(fā)符合企業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求的用戶化、專(zhuān)業(yè)化、集成化軟件。CATIA二次開(kāi)發(fā)主要有三種方法，分別是用戶自定義特征方法、使用自動(dòng)化應(yīng)用接口的宏和組件應(yīng)用架構(gòu)（Component Application Architecture，簡(jiǎn)稱(chēng)CAA）方法。本文主要使用其中的用戶自定 義 特 征（User Defined Feature，簡(jiǎn) 稱(chēng)UDF）及CAA兩種方法。

用戶自定義特征方法是一種通過(guò)組合現(xiàn)有特征來(lái)定義用戶所需特征的一種定制開(kāi)發(fā)方法，通?？赏ㄟ^(guò)CATIA中用戶自定義特征或者超級(jí)副本（Power Copy）定義。使用時(shí)，調(diào)用創(chuàng)建好的用戶自定義特征，指定對(duì)應(yīng)輸入及參數(shù)，即可得到相應(yīng)的自定義特征。該方法使用簡(jiǎn)單，對(duì)開(kāi)發(fā)人員相對(duì)要求較低。因此，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常用零件及特征，可通過(guò)用戶自定義特征方法定義并形成特征模板庫(kù)，提高結(jié)構(gòu)建模效率。

CATIA是按照組件模型建立起來(lái)的，基于CAA方法，用戶通過(guò)開(kāi)發(fā)CAA組件對(duì)CATIA進(jìn)行擴(kuò)展，并無(wú)縫嵌入CATIA原生系統(tǒng)中。CAA的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)RADE（Rapid Application Development Enviroment）來(lái)完成的。RADE針對(duì)不同開(kāi)發(fā)語(yǔ)言提供了交互面板，CAA提供了C++、Java等基于組件的應(yīng)用程序接口（API），用戶可以在RADE中通過(guò)API與CATIA通信，開(kāi) 發(fā) 用 戶 所 需功能?；谔卣髂０鍘?kù)，通過(guò)CAA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，可以增加特征模板調(diào)用命令及命令調(diào)用可視化窗口，并將命令增加至CATIA原生系統(tǒng)中，使用時(shí)，將模板調(diào)用功能作為普通命令進(jìn)行使用，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)建模效率。

2 基于CATIA用戶自定義特征模板與CAA二次開(kāi)發(fā)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模方法

統(tǒng)計(jì)資料顯示，在民用飛機(jī)零部件設(shè)計(jì)中，大約20%的零部件是全新設(shè)計(jì)的，余下的80%零部件都可以直接重用或略作修改使用。因此，在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將常用零件按加工過(guò)程進(jìn)行加工特征分解，并將分解后的加工特征分別建立相應(yīng)的特征模板，形成模板庫(kù)。后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，各零件按需添加各類(lèi)加工特征以滿足設(shè)計(jì)需求即可。本文提出的基于CATIA用戶自定義特征與CAA二次開(kāi)發(fā)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模方法應(yīng)用流程如圖1所示。建模過(guò)程中，首先創(chuàng)建零件毛坯實(shí)體，模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的下料工序；然后模擬減材加工過(guò)程，逐個(gè)調(diào)用加工特征模板去除材料；最后完成結(jié)構(gòu)幾何模型構(gòu)建，零件加工特征通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的加工特征模板庫(kù)進(jìn)行創(chuàng)建。

圖1 結(jié)構(gòu)建模流程Fig.1 Structural modeling process

特征模板的創(chuàng)建流程如圖2所示，首先確定特征模板需要的輸入，這個(gè)也是后續(xù)調(diào)用特征模板時(shí)的輸入要求。創(chuàng)建特征模板最重要的一點(diǎn)就是需要保證模板創(chuàng)建過(guò)程的穩(wěn)定性，因此，模板創(chuàng)建過(guò)程中每一步的操作都需要保證結(jié)果的唯一性。然后在創(chuàng)建特征模板的過(guò)程中，需使用參數(shù)化建模方法，以便后續(xù)使用知識(shí)工程模塊中的“規(guī)則”“檢查”功能將工作中積累的大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則融入特征模板中。模板創(chuàng)建完成后，在使用的過(guò)程中，其內(nèi)部是黑盒子，用戶只需要指定輸入，模板自動(dòng)按照創(chuàng)建時(shí)的過(guò)程給出相應(yīng)的輸出。因此，對(duì)于后期需要更改的參數(shù)，需要在模板創(chuàng)建的時(shí)候?qū)⑵浒l(fā)布出來(lái)，以便后期調(diào)用模板的時(shí)候?qū)μ卣鬟M(jìn)行調(diào)整。

圖2 特征模板庫(kù)創(chuàng)建流程Fig.2 Feature template library creation process

通過(guò)CATIA系統(tǒng)原生命令也可完成特征模板庫(kù)的調(diào)用操作，但是CATIA原生調(diào)用界面為表驅(qū)動(dòng)方式，界面粗糙，沒(méi)有可視化界面，難于理解。特別是對(duì)于不熟悉特征模板庫(kù)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)非常困難。因此，采用CAA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，將每個(gè)模板的調(diào)用開(kāi)發(fā)成具備圖形可視化界面的命令，嵌入CATIA原生系統(tǒng)。使用時(shí)，通過(guò)圖形化界面的引導(dǎo)，完成加工特征的創(chuàng)建，特征模板調(diào)用流程如圖3所示。加工特征創(chuàng)建完成后，使用CATIA中“分割”命令，在毛坯料中去除加工特征區(qū)域處材料，完成結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建。

圖3 特征模板調(diào)用流程Fig.3 Feature template call process

3 應(yīng)用實(shí)例

框?yàn)槊裼蔑w機(jī)上典型結(jié)構(gòu)，針對(duì)民用飛機(jī)上的框結(jié)構(gòu)，可以將其分解為以下主要加工特征：凹槽、A型長(zhǎng)桁缺口、B型長(zhǎng)桁缺口、筋條倒角、下陷以及工藝孔等（如圖4所示）。典型凹槽加工特征模板如圖5所示，實(shí)際結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中，通過(guò)可視化界面實(shí)例化給出凹槽加工特征曲面后，再使用CATIA中“分割”命令，在毛坯料中，模擬機(jī)加工序，去除特征曲面包絡(luò)區(qū)材料，構(gòu)建結(jié)構(gòu)幾何模型。

圖4 典型零件加工特征分解Fig.4 Machining feature decompositon of typical part

圖5 凹槽加工特征Fig.5 Groove machining feature

民用飛機(jī)機(jī)加零件結(jié)構(gòu)中，存在大量的下陷特征，本文以下陷特征為例，分別介紹特征模板的創(chuàng)建以及可視化模板調(diào)用命令的CAA二次開(kāi)發(fā)過(guò)程。

下陷特征模板的創(chuàng)建過(guò)程如圖6所示，該特征包含三個(gè)輸入：邊界面1、下陷曲面、邊界面2，其中下陷曲面用于控制下陷的外形，邊界面1、邊界面2用于控制下陷的位置。模板的最基本特性就是穩(wěn)定性，其中，對(duì)穩(wěn)定性影響最大的因素為輸入元素的方向，即下陷模板創(chuàng)建過(guò)程中的偏移、倒圓角等操作的結(jié)果都與輸入的方向密切相關(guān)。在模板的創(chuàng)建過(guò)程中，可通過(guò)知識(shí)工程顧問(wèn)模塊中的“規(guī)則”工具編寫(xiě)相應(yīng)的代碼，得到指定方向的元素，用于后續(xù)模板創(chuàng)建操作。下陷特征模板中，下陷邊界面1方向判定算法如圖7所示。

圖6 下陷特征模板創(chuàng)建過(guò)程Fig.6 Creation process of sag feature template

圖7 下陷邊界面1方向判定算法Fig.7 Direction determinaton algorithm of sag boundary surface 1

在創(chuàng)建模板過(guò)程中，需將之前積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等融入模板中，在CATIA中，主要通過(guò)使用知識(shí)工程模塊中的“規(guī)則”“檢查”等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，下陷模板中的圓角半徑跟實(shí)際生產(chǎn)中的刀具選擇有很大關(guān)系，實(shí)際成產(chǎn)中，生產(chǎn)單位的刀具規(guī)格有限，那么圓角半徑的設(shè)計(jì)空間就該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行限制。例如可通過(guò)“檢查”命令設(shè)置提示窗口，當(dāng)圓角半徑不在常用選用范圍內(nèi)時(shí)，給出彈窗提示，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員確認(rèn)，具體實(shí)現(xiàn)界面如圖8所示。

圖8 圓角半徑檢查Fig.8 Fillet radius checking

模板庫(kù)創(chuàng)建完成后，為了便于特征模板的調(diào)用，采用CAA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，針對(duì)每個(gè)特征模板，創(chuàng)建相應(yīng)的可視化調(diào)用界面，降低特征模板使用難度，同時(shí)提高調(diào)用效率。下陷模板可視化界面調(diào)用過(guò)程如圖9所示。在CATIA中嵌入下陷模板調(diào)用工具條，如圖10所示。單擊該工具條后，彈出可視化下陷模板調(diào)用窗口，如圖11所示。單擊下陷模板說(shuō)明按鈕，彈出下陷模板說(shuō)明，幫助用戶理解下陷模板創(chuàng)建方法。通過(guò)圖形化界面及示意圖引導(dǎo)，用戶可以方便、快速地完成下陷特征的實(shí)例化。

圖9 下陷模板可視化調(diào)用過(guò)程Fig.9 Visual call process of sag template

圖10 界面增加工具條及源代碼Fig.10 Added toolbar on the interface & source code

圖11 下陷模板可視化調(diào)用界面及模板實(shí)例化源代碼Fig.11 Visual call interface of sag template &Template instantiate source code

本文以框上一個(gè)下陷特征為例，對(duì)比分析傳統(tǒng)布爾操作建模方法與本文建模方法的建模效率與質(zhì)量。兩種建模方法對(duì)比如圖12所示，傳統(tǒng)布爾操作建模方法，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)零件幾何體，然后使用3～4個(gè)面，將需要去除材料的部分分割出來(lái)，隨后倒轉(zhuǎn)角，最后使用布爾操作得到最終的結(jié)果。采用本文的建模方法，則只需要?jiǎng)?chuàng)建3個(gè)模板需要的輸入元素，隨后一鍵調(diào)用模板，使用分割命令得到最終的結(jié)果。從建模效率上來(lái)說(shuō)，本文方法由于減少了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的倒轉(zhuǎn)角操作，步驟也較少，建模更加迅速，效率更高；從建模質(zhì)量上來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)布爾操作建模方法由于倒轉(zhuǎn)角操作過(guò)程中涉及到鼠標(biāo)手動(dòng)選擇零件幾何體上的邊線等操作，當(dāng)零件骨架或者尺寸調(diào)整時(shí)，數(shù)模自動(dòng)更新經(jīng)常失敗，模型質(zhì)量較差。

圖12 建模方法對(duì)比Fig.12 Comparision of modeling methods

基于上述結(jié)構(gòu)快速建模方法，梳理典型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)組成，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工特征分解，同時(shí)采用知識(shí)工程技術(shù)定義對(duì)應(yīng)的特征模板，形成民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)特征模板庫(kù)（如圖13所示），同時(shí)針對(duì)常用特征模板，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的可視化調(diào)用界面（如圖14所示）。該方法已在型號(hào)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)構(gòu)建模效率及質(zhì)量都得到了穩(wěn)步提升。

圖13 特征模板庫(kù)Fig.13 Feature template library

圖14 模板調(diào)用工具集Fig.14 Template call toolkit

4 結(jié)論

（1）基于CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速建模方法的效率較傳統(tǒng)模擬加工過(guò)程的布爾操作方法高，模型也更加穩(wěn)定，質(zhì)量更好。

（2）采用該建模方法的建模過(guò)程模擬實(shí)際加工工序，模型邏輯清晰，模型具有較好的可讀性及維護(hù)性。該建模方法可以推廣到一般飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模工作中，具有較廣泛的工程應(yīng)用前景。