呂春光，邱明星，田 靜 ，李 健

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)建模方法研究

呂春光，邱明星，田 靜 ，李 健

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

為適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣方案設(shè)計(jì)時(shí)外部附件、管路布局經(jīng)常調(diào)整的特點(diǎn)，應(yīng)用UGNX軟件的自頂向下建模與WAVE技術(shù)，開發(fā)了1種新型高效、規(guī)范、系統(tǒng)的外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)建模方法。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)建模方法相比，該方法設(shè)計(jì)效率大大提高，可供航空發(fā)動(dòng)機(jī)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒。

外涵機(jī)匣；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；UGNX；自頂向下建模；WAVE；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣是連接中介機(jī)匣和后機(jī)匣的承力件，形成外涵氣流通道，固定內(nèi)涵穿出的傳感器、管路，以及外部附件、支架和管路等構(gòu)件。為此，其殼體上布置若干開孔和安裝座。在方案設(shè)計(jì)過程中，外涵流道、內(nèi)外涵連接管路和外部布局方案等的調(diào)整，導(dǎo)致外涵機(jī)匣上的各種開孔、安裝座位置經(jīng)常調(diào)整和變化。采用UGNX3維傳統(tǒng)的建模方法，為適應(yīng)上述調(diào)整和變化要做許多重復(fù)性工作，浪費(fèi)大量時(shí)間，而且容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)。為克服上述缺點(diǎn)，開發(fā)1種適應(yīng)外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)，簡(jiǎn)捷高效、規(guī)范、系統(tǒng)的新型建模設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。自頂向下建模和WAVE鏈接功能是UGNX軟件的優(yōu)勢(shì)之一，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3維建模設(shè)計(jì)中并未深入應(yīng)用。例如，雖然使用WAVE命令，但鏈接后即斷開，實(shí)際沒有應(yīng)用父件參數(shù)修改后，相關(guān)子件自動(dòng)隨之關(guān)聯(lián)性修改和更新的WAVE優(yōu)勢(shì)等。

本文著重分析外涵機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和UGNX軟件的有關(guān)建模功能，以找出二者間有機(jī)聯(lián)系。

1 建模方案分析

1.1 外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

考慮到研制周期和成本，不同階段外涵機(jī)匣采用不同的方案，在驗(yàn)證機(jī)階段采用金屬外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)，在原型機(jī)階段采用復(fù)合材料外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)均為殼體類結(jié)構(gòu)，由機(jī)匣殼體、若干安裝座和堵蓋等組成。安裝座和殼體上有較多位置對(duì)應(yīng)的開孔；安裝座底面與殼體外表面完全貼合，貼合型面為錐面或柱面；安裝座用于固定外部附件和支架，安裝面為結(jié)構(gòu)接口，為保證接口尺寸，設(shè)計(jì)中選擇該尺寸作為設(shè)計(jì)控制尺寸。外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在外涵機(jī)匣方案設(shè)計(jì)過程中，因安裝座底面與殼體外壁應(yīng)貼合，殼體的錐角調(diào)整時(shí)，所有有關(guān)安裝座的底面需全部調(diào)整。外涵機(jī)匣一般至少有40個(gè)安裝座，修改設(shè)計(jì)安裝座的底面工作量較大；在外部附件位置調(diào)整時(shí)，需要調(diào)整安裝座的位置，除引起安裝座底面修改外，安裝座在新位置需要有相對(duì)機(jī)匣的軸向、角向和至中心距離的位置參考進(jìn)行定位，這些位置參考的調(diào)整設(shè)計(jì)的工作量較大；帶孔的安裝座位置調(diào)整時(shí)，對(duì)應(yīng)的殼體孔也隨之調(diào)整，殼體孔的重新定位的工作量較大。

在外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)過程中，如果有效利用不同零件間結(jié)構(gòu)特征關(guān)系（如2個(gè)零件開孔位置對(duì)應(yīng)，表面完全貼合等），則在零件分別建模時(shí)不需重復(fù)設(shè)計(jì)；如果有效利用這些零件間相關(guān)修改的關(guān)系，則在零件分別修改時(shí)不需做重復(fù)工作。有必要結(jié)合外涵機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析UGNX軟件有關(guān)功能模塊，建立高效的建模方法。

1.2 UGNX軟件功能模塊分析

UGNX軟件自頂向下建模和WAVE鏈接功能是其優(yōu)勢(shì)之一，若在結(jié)構(gòu)建模過程中合理應(yīng)用，可以有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

1.2.1 自頂向下建模

裝配建模有2種方法，如圖2所示。1種是自底向上建模（Bottom-Up Design）方法：即孤立地建立零件模型，然后再將其加入到裝配層中；另1種是自頂向下建模（Top-Down Design）方法：即直接在裝配層建立零件模型，零件模型建立過程中可同時(shí)確定其裝配位置（省去配對(duì)約束），并可參考裝配層的或裝配層下其它零組件的與之相關(guān)的參數(shù)。

1.2.2 鏈接技術(shù)

鏈接（WAVE：What-if Alternative Value Engineering）技術(shù)采用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體方法來控制產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)（在不同零部件之間關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體），保證整個(gè)裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，最適合于幾何界面相關(guān)性和變型產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，如圖3所示。當(dāng)父鏈接參數(shù)修改后，子鏈接的相關(guān)數(shù)據(jù)可進(jìn)行自動(dòng)快速更新，對(duì)零部件進(jìn)行有效管理和再利用，避免零部件重復(fù)設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

1.3 建模方案

通過分析外涵機(jī)匣方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)與UGNX建模功能，進(jìn)一步建立二者間的有機(jī)聯(lián)系，如圖4所示。圖中上半部展示外涵機(jī)匣3維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與自頂向下和WAVE的關(guān)系，下半部展示自頂向下和WAVE與提高建模效率的關(guān)系。根據(jù)圖4的分析結(jié)果，提出與傳統(tǒng)建模不同的方案。傳統(tǒng)建模方案（方案1）為全部自底向上建模，即孤立地建立殼體、安裝座、堵蓋等模型，然后再將各零件配對(duì)約束裝配成外涵機(jī)匣模型。安裝座、殼體模型之間沒有鏈接關(guān)聯(lián)性。本文提出新的建模方案（方案2），是采用自頂向下和WAVE建模技術(shù)，即在裝配層設(shè)計(jì)殼體和安裝座模型，不需配對(duì)約束，并且使安裝座、殼體參數(shù)WAVE關(guān)聯(lián)。

2 建模方法

2.1 建模具體方法

針對(duì)上面提出的新型建模方案（方案2），本節(jié)進(jìn)一步綜合考慮外涵機(jī)匣建模涉及的各環(huán)節(jié)，解決實(shí)施中的具體問題，建立規(guī)范的自頂向下、WAVE鏈接建模方法。

2.1.1 自頂向下建模步驟

（1）創(chuàng)建空的零件文件（空的指未創(chuàng)建任何結(jié)構(gòu)特征）；

（2）創(chuàng)建空的組件文件（焊接加工組件或鉚接加工組合件）。在空的組件中創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系和外涵機(jī)匣總定位坐標(biāo)系，繪制機(jī)匣殼體錐筒草圖和殼體圓筒草圖，圖層需符合標(biāo)準(zhǔn)化要求。在組件文件中裝配各空的零件文件（采用絕對(duì)坐標(biāo)系裝配即可）；

（3）在組件環(huán)境下以零件為工作部件進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)特征創(chuàng)建、保存。本操作完成后為零件鏈接有關(guān)定位基準(zhǔn)、草圖進(jìn)行零件定位建模作好了準(zhǔn)備。不應(yīng)在組件中建立零件的定位基準(zhǔn)，否則由于數(shù)量較多，各定位基準(zhǔn)通過圖層或者引用集均難以區(qū)分。

2.1.2 WAVE參數(shù)制定

外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)顯著的特點(diǎn)是安裝座數(shù)量多，且安裝座底面與機(jī)匣殼體外表面完全貼合，安裝座接口（附件等安裝接口）位置確定后，其結(jié)構(gòu)基本確定。UGNX裝配級(jí)不能包含除裝配件外的其它實(shí)體，因此裝配級(jí)里設(shè)置的WAVE全局參數(shù)類型只能是線、基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)軸等。綜合考慮以上因素，在焊接機(jī)加組合件（或鉚接加工組合件）裝配級(jí)中繪制機(jī)匣殼體草圖，其中的殼體外壁輪廓線作為WAVE（鏈接）全局控制參數(shù)，如圖5所示。殼體和安裝座位于該裝配級(jí)下，建模時(shí)均鏈接該惟一全局控制參數(shù)。

殼體開孔位置均對(duì)應(yīng)安裝座孔位置，殼體建孔時(shí)WAVE鏈接安裝座孔的輪廓線作為拉伸對(duì)象，使殼體建孔簡(jiǎn)化，如圖6所示。

安裝同一附件的幾個(gè)支座之間的相互位置一定（取決于附件安裝尺寸），只在其中1個(gè)支座中建立定位基準(zhǔn)面，以此基準(zhǔn)面繪制各支座的草圖。其它每個(gè)支座建模時(shí)，鏈接第1個(gè)支座中的相應(yīng)草圖線進(jìn)行拉伸，以簡(jiǎn)化支座建模，如圖7所示。按照以上鏈接關(guān)系建模，形成的外涵機(jī)匣鏈接關(guān)系如圖8所示。

2.1.3 衍生外涵機(jī)匣

金屬外涵機(jī)匣模型完成后，可應(yīng)用UGNX軟件中的克隆功能，衍生1套復(fù)合材料外涵模型。衍生后，因復(fù)合材料外涵與金屬外涵安裝座附件安裝接口基本不變，復(fù)合材料機(jī)匣殼體與金屬機(jī)匣殼體存在差異（如殼體厚度、安裝座結(jié)構(gòu)等），這些特點(diǎn)使得通過保持的WAVE關(guān)系，修改全局控制參數(shù)（機(jī)匣殼體草圖）后，安裝座底面與殼體外壁型面將自動(dòng)進(jìn)行快速更新，極大減少了工作量。

2.2 方法比較

該新型建模方法在某型發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，完成了金屬外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并衍生出1套復(fù)合材料外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)模型。對(duì)傳統(tǒng)建模方法（方法1）與該新型建模方法（方法2）進(jìn)行綜合比較，見表1。

表1 新型建模方法與傳統(tǒng)建模方法對(duì)比

為進(jìn)行2種方法的具體比較，專門進(jìn)行了示例操作。采用2種方法進(jìn)行示例建模、裝配和修改的設(shè)計(jì)時(shí)間對(duì)比如圖9～12所示。

通過分析表1、圖9～12，與方法1的相比，方法2的建模和裝配簡(jiǎn)單，修改（編輯）方便，準(zhǔn)確性高，克隆外涵機(jī)匣后修改依然高效，可節(jié)省很多時(shí)間，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)和UGNX軟件的有關(guān)功能，研究并開發(fā)了外涵機(jī)匣簡(jiǎn)捷高效、規(guī)范、系統(tǒng)的自頂向下、WAVE鏈接3維建模設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，與以往傳統(tǒng)建模方法相比，其設(shè)計(jì)效率大幅提高。UGNX軟件自頂向下、WAVE建模方法有較大優(yōu)勢(shì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)其它部件乃至總體設(shè)計(jì)中可進(jìn)一步研究其操作及應(yīng)用，以便更好地?cái)U(kuò)大應(yīng)用范圍，提高設(shè)計(jì)效率。

[1]溫莉娜.基于U G/WAVE技術(shù)的自頂向下產(chǎn)品建模[J].模具技術(shù)，2008（6）：49-52.

[2]沈進(jìn).基于U G/WAVE的產(chǎn)品參數(shù)化建模技術(shù)[J].現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2008（13）：27-29.

[3]Unigraphics Solutions Inc. UG WAVE產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：17-20.

[4]張西廠.基于J T數(shù)據(jù)編制航空發(fā)動(dòng)機(jī)圖解圖的創(chuàng)新方法[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，35（6）:10-13.

Study of Modeling Method for Areoengine Bypass Duct

LV Chun-guang,QIU Ming-xing,TIAN Jing,LI Jian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to adapt to the characteristics on frequently adjustment of external accessories and pipes in areoengine bypass duct design,an innovative,efficient,standard,and systematic method for structural modeling of bypass duct was established using top-down design and WAVE techniologies in UG NX software.The results show that the modeling method can improve design effectiveness multiplied,and offer reference for similar structural design.

bypass duct;structure design;UG NX;top-down design;WAVE;aeroengine

呂春光（1979），男，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。