楊小龍，萬志輝，閔興明

(1.中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001;2.東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，江西南昌， 330013)

0 引言

CATIA V5是Dassault公司推出的三維CAD/CAM設(shè)計系統(tǒng)，現(xiàn)已成為國際航空工業(yè)首選的設(shè)計軟件。其中Tubing Design模塊以其基于管路特征創(chuàng)建和管理管路設(shè)計等的強大功能而日益受到重視，在國內(nèi)各大主機廠所得到廣泛應(yīng)用。但是，CATIA的Tubing Design模塊所帶標準、規(guī)則和管路零件庫只有基本功能的一個樣例，要將管路模塊應(yīng)用到工程設(shè)計中，必須根據(jù)企業(yè)所采用的相關(guān)標準進行管路環(huán)境定制，統(tǒng)一本單位管路標準，擴充零部件庫。在CATIA幫助文檔［1］里面對管路環(huán)境定制的介紹比較簡單，蔣代兵［2］研究了管路環(huán)境的定制，但未提及管路標準件建模方法和管路零件自動擺放規(guī)則。

管路環(huán)境的定制主要包括項目定制、系統(tǒng)文件定制及管路零部件庫定制。項目是為建立客戶自己的文件系統(tǒng)而創(chuàng)建新項目，包括建立文件夾、編輯環(huán)境、創(chuàng)建項目文件夾、新建項目、選擇新建項目;系統(tǒng)文件是管路設(shè)計的支持文件，包括特征字典、標準、規(guī)則等的定制;管路零部件作為管路系統(tǒng)的主要構(gòu)成元素，是管路設(shè)計的核心，因此，標準和規(guī)則的定制應(yīng)與管路零部件的特征相統(tǒng)一。本文將航空標準［3］、企業(yè)標準等統(tǒng)一構(gòu)建一個管路標準，根據(jù)自動擺放規(guī)則，定義管路零部件端頭屬性，構(gòu)建管路零部件庫。同時介紹了直硬管、彎硬管及軟管的建模方法。

1 管路標準

通常在航空企業(yè)中所采用的管路標準包括航標、國標、企標等，均為公制單位，在CATIA中使用管路模塊時必須符合所采用的設(shè)計標準，因此在對Tubing Design模塊進行定制時，首先要根據(jù) HB、GB、QB等標準建立一個統(tǒng)一的標準。

管路標準在TubingStandardsMM.catalog文件中進行定制，該文件規(guī)定了管路模塊在管路設(shè)計時所用的屬性值。在管路模塊樣例中的標準包括End-Style、BendingRules、MaterialCategory、MaterialCode、PartCode、PartName、NominalSize、TubeDimensions、LengthRules、WallThickness、Rating、Schedule、DimensionCode等十三種屬性標準。各屬性標準含義和定制如下所述。

DimensionCode指尺寸代碼。SSTLMM標準中包含Dimension code 1、Dimension code 2等，自建標準中可以不更改，管路標準件建模中也可以不設(shè)。

Rating是指法蘭等級。SSTLMM標準中所列150、300等等級，屬于美標壓力等級，如150#相當于國標2.0MPa。自建標準中可以不更改，管路標準件建模中不設(shè)。

Schedule是鋼管壁厚的一種表示方法。SSTLMM 標準中所列的40、80及 STD、XS、XXS分別為采用管子的表號及管子重量，表示管壁厚度。而我國是采用WallThickness管壁厚度尺寸表示管壁厚度。自建標準中可以不更改，管路標準件建模中也可以不設(shè)。

BendingRules、MaterialCategory、MaterialCode、PartCode、PartName、NominalSize、TubeDimensions、LengthRules、WallThickness等管路屬性均按航標、企標等進行綜合后更改。

BendingRules為彎曲半徑，如2D、2.5D 等。

MaterialCategory為材料分類，如 Carbon steel、Stainless steel、Copper、Aluminum 等。

MaterialCode為材料代碼，如 T3、5A02－O、20A、1Cr18Ni9Ti等。

PartCode為零件標記，如Q/16S－144－8、HB4－4－8等。

PartName為零件名稱，如直通管接頭、四通管接頭、D型四通管接頭等。

NominalSize為導(dǎo)管外徑，如 4mm、6mm、8mm等。

TubeDimensions為導(dǎo)管尺寸表，表中包含導(dǎo)管的 NominalSize、Schedule、BendDiameter(mm)、OutsideDiameter(mm)、WallThickness(mm)等。

LengthRules為導(dǎo)管長度規(guī)則表，表中包含導(dǎo)管的 MaterialCategory、MinNominalSize、MaxNominal-Size、MinStraightLength(mm)、MaxLength(mm)、Max-BendAngle(deg)、StandardLength(mm)等。

WallThickness為導(dǎo)管壁厚，如0.5mm、1mm 等。

EndStyle為管路零部件的端頭屬性，各種不同標準的管路零部件端頭屬性各不相同，如無擴口端頭屬性，航標5970無擴口管接頭擴口角度為24°，而企標無擴口管接頭的角度有60°、80°。由于端頭形式直接與自動擺放及端頭匹配相聯(lián)系，在字典文件中自建類有時不支持自動擺放，因此，在建立統(tǒng)一標準的情況下，將無擴口段管端頭的屬性再進行細分，通過創(chuàng)建不同的端頭形式來支持自動擺放功能。如接頭端頭型式增加角度標識如:FFSM60→FLARELESS60MALE;FFSM80→FLARELESS80 MALE。

2 管路設(shè)計規(guī)則

對管路設(shè)計規(guī)則定制的目的主要在于設(shè)計時實現(xiàn)管路零件的自動擺放，約束匹配的零件類型。設(shè)計規(guī)則在TubingDesignRules.catalog文件中定制，包括管路零件擺放時的功能物理映射、屬性過濾、端頭兼容規(guī)則和自動擺放規(guī)則。該規(guī)則不能新增條目，但可以更改規(guī)則。其中，功能物理映射是擺放零件時將管路功能與零件類相對應(yīng)，若不新增零部件，此文件不許改動。屬性過濾是在擺放零件時可以通過設(shè)置屬性過濾值來減少可擺放零部件時顯示零件的數(shù)量，方便零件的查找。管路模塊中原有的管路端頭屬性兼容規(guī)則和自動擺放規(guī)則僅有擴口管路的樣例，因此，需對這兩個規(guī)則進行定制。

2.1 零部件自動擺放過程

自動擺放過程為:當在一個零件連接點上開始擺放另一個零件時，首先調(diào)用Tubing－Compatibility.txt檢查端頭兼容性，如兼容則調(diào)Tubing－AutomaticParts.txt檢查該兩零件間是否需要增加某個零件，如此重復(fù)，可以自動擺放多個零件，但最多不超過10個零件。如Union與Tube相聯(lián)接，則首先檢查Union端頭形式為FLARELESS80 MALE，Tubing-StraightTube端頭形式為PLAIN SQUARE END，其端頭形式是兼容的，則在此兩零件間擺放TubingNut，通過兼容性檢查可以確定應(yīng)選擇端頭形式為QB80 TAPER/B－NUT的 TubingNut。再檢查 Union與TubingNut相連接時的端頭屬性的兼容及自動擺放規(guī)則，可以擺放TubingBNutSleeve，再檢查Union與TubingBNutSleevet相連接時的端頭屬性的兼容及自動擺放規(guī)則，可以擺放TubingUnionTube，如圖1。

圖1 自動擺放零件

2.2 端頭屬性兼容規(guī)則

端頭屬性兼容規(guī)則是在零件擺放時，比較兩零件的端頭屬性是否匹配。由于在端頭屬性中根據(jù)航標、企標增加了管路端頭屬性，因此，此表必須進行更改。

該表包含7列，屬性名1和2、標準1和2、屬性值1和2、兼容等級，如圖2。

2.3 自動擺放規(guī)則

自動擺放規(guī)則是在零件擺放時，自動在兩零件間擺放一個的零件。同樣由于在零部件庫中增加了航標、企標等零件，因此該表也必須進行更改。

該表包含了7列，零件類型1和2、標準1和2、端頭屬性名1和2、自動擺放類型。如圖3。

3 管路零部件建模

管路零部件庫是組織和管理管路零部件的文檔，用于存放、檢索和管理幾何部件，以備在CATIA模型中重復(fù)使用。包含TubingParts.catalog和TubingSpecificationsMM.catalog兩種庫。TubingParts.catalog是基本庫，應(yīng)包含全部的管路零部件，管路模塊中管路零部件的擺放均從此庫中調(diào)用;Tubing-SpecificationsMM.catalog庫是對 TubingParts.catalog庫中的零部件利用特定屬性進行重新分類組合。

管路零部件根據(jù)建庫方法可以分為兩類，外套螺母、平管嘴、三通接頭等管路標準件及閥門等成附件為第一類，其特點是建庫時的實體與擺放時的實體相同，如標準件擺放于任意位置，其實體和Part-Number都不變;軟管、硬管等管路為第二類，其特點是該零件在擺放時實體形狀與建庫時的實體不同，如同一成品號的軟管組件擺放在不同位置其，彎曲半徑不同。

3.1 第一類管路零件的建立

第一類零部件的建模方法較為簡單，直接建立實體零件，然后在 Tubing Design工作臺中，選擇“Build Tubing Part”命令，依次完成管路零部件的類的定義、模型創(chuàng)建、參數(shù)化驅(qū)動和管路連接屬性定義。

3.2 第二類零部件

第二類零部件建模與第一類零件建模最大的不同點在于實體的建立方法不同，直硬管采用工具Shaft創(chuàng)建實體;彎硬管和軟管采用以當?shù)刈鴺讼禐榛A(chǔ)，采用工具Rib創(chuàng)建實體。

硬管的端頭形式有擴口、無擴口、滾波等形狀。直硬管可以表達出端頭形狀如擴口、滾波等。彎硬管在管路建模時由于受擺放模式的限制，不能表達端頭形狀細節(jié)結(jié)構(gòu)。

第二類零部件建模有兩種方法。一種方法是利用管路模塊現(xiàn)有的零部件進行更改;另一種方法是自己重新建模。

方法一:

采用管路模塊現(xiàn)有的TUBE_BENDABLE_TIV.CATPart、TUBE_BENDABLE_TVII.CATPart、TUBE_BENDABLE_TVII_TIV.CATPart、TUBE_FLEXIBLE_TIV.CATPart、TUBE_FLEXIBLE_TVII.CATPart、TUBE_TIV.CATPart、TUBE_TVII.CATPart、TUBE_TVII_TIV.CATPart等零件實體及表格進行修改，修改完成后，測試其可以在管路模塊中應(yīng)用。然后采用UltraEdit－32工具軟件打開零部件模型，更改字典文件為用戶指定字典文件名，將CATTubingSample.CATFct更改為 CHRDI_CATTubing.CATFct，如圖4。

圖4 更改字典文件

方法二:

1)直硬管建模

直硬管建模在擺放時的特點是，其導(dǎo)管長度TubeLength是由直RUN上相鄰兩個零件連接點之間的距離來決定，必須設(shè)置成可覆蓋參數(shù)。直硬管采用工具Shaft創(chuàng)建實體;然后在Tubing Design工作臺中，選擇“Build Tubing Part”命令，依次完成管路零部件的類的定義、模型創(chuàng)建、參數(shù)化驅(qū)動、覆蓋參數(shù)和管路連接屬性定義。

2)彎硬管建模

彎硬管以當?shù)刈鴺讼禐榛A(chǔ)，采用工具Rib創(chuàng)建實體。其特點是在擺放時，根據(jù)RUN上兩相鄰零件上連接點作為彎硬管的當?shù)刈鴺讼?，Rib的中心線是以RUN的中心線生成的多短線連接而成。當RUN發(fā)生改動時，RibPath是重新繪制的，如圖5中幾何集RibPath中的元素是重新繪制，名稱也不一樣。彎硬管幾何兩個當?shù)刈鴺讼凳窃趧?chuàng)建連接點時自動生成的。彎硬管采用Rib創(chuàng)建實體，然后在Tubing Design工作臺中，選擇“Build Tubing Part”命令，依次完成管路零部件的類的定義、模型創(chuàng)建、參數(shù)化驅(qū)動、覆蓋參數(shù)和管路連接屬性定義，與其他零件不同的是，在定義連接點時，在定義連接點對話框中須選擇Define new Geometry，創(chuàng)建連接點。

圖5 彎硬管重新繪制前后對比

3)軟管建模

軟管包括軟管組件和材料性軟管，材料性軟管端頭通常無特殊形狀，而軟管組件的端頭則包括外錐管嘴、收緊螺母等具體零件，如HB4－123～137等，在幾何結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)時，若將這些零件表達出來，則可方便設(shè)計協(xié)調(diào)。軟管和彎硬管同樣以當?shù)刈鴺讼禐榛A(chǔ)，采用工具Rib創(chuàng)建實體。表達細節(jié)結(jié)構(gòu)時，在Part Design工作臺中，通過插入新Body，然后通過工具AxisToAxis和Rotation對新建body移動或旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，如圖6中的幾何體HB4－123－83。即建立了具有細節(jié)結(jié)構(gòu)的軟管組件。因軟管的建模機制，端頭為彎頭的軟管組件不能采用此方法建模。

圖6 軟管

成品軟管則可在此基礎(chǔ)上進行修改，建立更為詳細的帶細節(jié)的實體圖，需注意的是細節(jié)結(jié)構(gòu)必須通過當?shù)刈鴺讼祦斫?，這樣在與之相連的連接接頭位置發(fā)生變化時，細節(jié)結(jié)構(gòu)能一起移動。

軟管不通過Place Tubing Part擺放，而是通過Flexing tube routing建立的，當連接的零件位置發(fā)生變化時(如圖7中的直通管接頭)，其幾何集RibPath下的元素命名不變，如圖7。

圖7 軟管重新繪制前后對比

4 結(jié)束語

CATIA軟件Tubing Design模塊為用戶提供了強大的設(shè)計、修改、分析等功能。本文通過制定客戶化的標準、規(guī)則，建立包含航標、企標等管路標準件的管路零部件庫，構(gòu)建了符合工程應(yīng)用的管路設(shè)計環(huán)境，提高了設(shè)計效率，實現(xiàn)了CATIA軟件Tubing Design的工程應(yīng)用。

本研究僅是Tubing Design模塊的初步應(yīng)用，基于CATIA應(yīng)用管路特征進行管路設(shè)計分析，如管路設(shè)計知識的應(yīng)用等，還需進行更深入的研究。

［1］Dassault Systèmes CATIA V5 User's Documentation［Z］.

［2］蔣代兵.CATIA管路環(huán)境客戶化定制［J］.航空標準化與質(zhì)量，2006(3):45－48.

［3］《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊第2冊標準和標準件［M］.北京:航空工業(yè)出版社2000.