侯夢雅

（江西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330024）

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，新技術(shù)含量高，維護(hù)使用不易。因此，在進(jìn)行設(shè)計分析、制造、維護(hù)訓(xùn)練、修理時，若有數(shù)字化的虛擬發(fā)動機(jī)則能大大縮短設(shè)計分析時間，方便生產(chǎn)單位的加工制造、教學(xué)訓(xùn)練、維護(hù)使用以及查找故障和修理，并能為進(jìn)一步的動力設(shè)備操作仿真打下良好的基礎(chǔ)。

目前，發(fā)動機(jī)的虛擬數(shù)字化技術(shù)在國內(nèi)還是空白，該技術(shù)的研究對發(fā)動機(jī)的設(shè)計改進(jìn)、制造維修和維護(hù)培訓(xùn)有很大的幫助作用。

創(chuàng)建發(fā)動機(jī)實(shí)體模型是發(fā)動機(jī)虛擬數(shù)字化的第一步，也是三維模型交互操作研究的基礎(chǔ)，本文以某型發(fā)動機(jī)為例，對發(fā)動機(jī)的實(shí)體建模進(jìn)行了研究。

1 航空發(fā)動機(jī)實(shí)體建模面臨的問題

某型發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件繁多，進(jìn)行所有零部件的三維建模及裝配，工作量極其龐大，但也有規(guī)律可循。發(fā)動機(jī)由大量的典型零部件類別構(gòu)成，通過對這些典型零部件類別找到快速建模方法可以大大加快該型發(fā)動機(jī)的建模速度。本文首先針對典型零部件類別歸納出發(fā)動機(jī)建模存在的問題。

1．1 常用標(biāo)準(zhǔn)件建模存在的問題

改型發(fā)動機(jī)包含了900多種標(biāo)準(zhǔn)件，建模的工作量很大，必須摸索出其系列標(biāo)準(zhǔn)和控制其基本形狀的幾個關(guān)鍵尺寸，并尋找出快速建模方法從而大大加快標(biāo)準(zhǔn)件的建模進(jìn)度。

1．2 發(fā)動機(jī)葉片建模存在的問題

葉片是發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵的部件，該型發(fā)動機(jī)共有50級葉片（包括低、高壓壓氣機(jī)動葉和靜葉，渦輪及動力渦輪轉(zhuǎn)子葉片等），每級葉片都提供4～13個剖面不等，每個剖面都是由關(guān)鍵點(diǎn)控制的樣條線。如果直接畫出每個剖面，然后通過放樣剖面創(chuàng)建每個葉片，原則上是可行的，然而這樣要輸入大量的原始數(shù)據(jù)，容易出錯又不利于以后對模型的修改。必須編制快速創(chuàng)建葉片的批處理程序(Program File)，從而大大加快葉片的建模速度。

1．3 空間管路的快速建模存在的問題

該型燃?xì)鈾C(jī)管路系統(tǒng)空間走向復(fù)雜，數(shù)量眾多，在管路布置過程中會遇到很多問題，如管路的干涉、最短路徑等，因此尋找出管路的快速建模顯得尤為重要。

1．4 關(guān)鍵零部件的實(shí)體造型存在的問題

火焰筒和渦輪一、二級動葉是該型燃?xì)廨喿铌P(guān)鍵也是最復(fù)雜的部件。

1．4．1 火焰筒的實(shí)體建模

火焰筒由四大部分組成，包括旋流器、隔熱屏、混合器及其它附件。其中旋流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模過程中使用的特征較多，如旋轉(zhuǎn)拉伸、放樣、陣列等，而且要多次運(yùn)用布爾運(yùn)算，較復(fù)雜的布爾運(yùn)算容易失敗。

1．4．2 一、二級渦輪動葉實(shí)體建模

第一渦輪級動葉，不僅外形曲線復(fù)雜，為了保證足夠強(qiáng)度和最大的散熱效果，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是非常復(fù)雜。在此葉片的建模過程中遇到的最大問題是特征的定位和布爾操作。

2 CAD軟件平臺的選擇

針對以上問題，選擇一個合適的CAD平臺至關(guān)重要，要求所選的CAD平臺不僅能勝任本系統(tǒng)的所有建模任務(wù)，而且建模要有較高的效率，模型具有較好的通用性 （即提供足夠多的與其它軟件包的接口），及所用的建模技術(shù)有較好的發(fā)展前景等。

經(jīng)過分析可知，I-DEAS最為合適。I-DEAS是美國SDRC公司開發(fā)的一套完整的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，其側(cè)重點(diǎn)是工程分析和產(chǎn)品建模，并且無縫集成了CAD/CAM/CAE三大模塊，這對以后的CAM/CAE分析節(jié)省了大量的CAD建模工作時間，可最大限度地復(fù)用系統(tǒng)創(chuàng)建的CAD模型。I-DEAS是第一個采用變量化建模技術(shù)的軟件包，其先進(jìn)的超變量幾何（VGX—Variational Geometry eXtended）技術(shù)，既可進(jìn)行全幾何約束的參數(shù)化設(shè)計，又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計。因此，決定采用I-DEAS作為CAD建模平臺。

3 I-DEAS典型零件的建模中的應(yīng)用

本節(jié)利用I-DEAS平臺的優(yōu)點(diǎn)，克服上述典型零部件建模面臨的困難，逐一找到快速建模方法，大大加快了該型發(fā)動機(jī)的建模速度。

3.1 常用標(biāo)準(zhǔn)件的快速建模

任何大型裝配件都包含了眾多的標(biāo)準(zhǔn)件，一般的標(biāo)準(zhǔn)件都成系列，由幾個關(guān)鍵尺寸控制基本形狀。該型發(fā)動機(jī)所有標(biāo)準(zhǔn)件屬于AC組件，共有900多種標(biāo)準(zhǔn)件。

I-DEAS的超變量幾何（VGX）技術(shù)是在參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此VGX也是基于參數(shù)化的，可以利用該技術(shù)很方便地建立系列化零件。下面介紹具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

3.1.1 創(chuàng)建Catalogs

Catalogs是I-DEAS存放標(biāo)準(zhǔn)零件和特征的容器，I-DEAS安裝時就自帶了預(yù)定義的Catalogs，如Block,Cylinder,Cone,Sphere,Tube等，同時I-DEAS也提供了根據(jù)用戶需要創(chuàng)建自定義的Catalogs的功能。

本文根據(jù)該型發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)創(chuàng)建了一個名為AC-Catalogs的自定義Catalogs。

3.1.2 添加標(biāo)準(zhǔn)件

創(chuàng)建了AC-Catalogs之后，就可以往其中添加標(biāo)準(zhǔn)件，如圖1所示，把一個螺栓以標(biāo)準(zhǔn)件添加到ACCatalogs中。在把標(biāo)準(zhǔn)件添加到AC-Catalogs之前必須參數(shù)化它們，參數(shù)化主要是為系列化零件提供關(guān)鍵參數(shù)尺寸。正如圖3所示的螺栓共有四個標(biāo)準(zhǔn)尺寸，把這四個標(biāo)準(zhǔn)尺寸添加到標(biāo)準(zhǔn)尺寸列表中，最后把它放入AC-Catalogs中，即創(chuàng)建了以這四個標(biāo)準(zhǔn)尺寸為基礎(chǔ)的螺栓系列零件，再根據(jù)需要還可以通過圖示的面板取出以前建立的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行修改。

圖1 添加螺栓

3.1.3 使用標(biāo)準(zhǔn)件

使用標(biāo)準(zhǔn)件比較簡單和方便，直接通過Feature按鈕提取標(biāo)準(zhǔn)件，修改標(biāo)準(zhǔn)尺寸，即可創(chuàng)建所需要的零件。圖2是圖1建立的標(biāo)準(zhǔn)件修改了長度所得的新零件模型。

圖2 新螺栓

3.1.4 標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)劃

本文對AC組件按系列化要求進(jìn)行了分類，共分為11類，對這11類分別進(jìn)行了系列化，圖3為其中的三個系列。

圖3 規(guī)劃

3.2 發(fā)動機(jī)葉片的快速建模方法

利用I-DEAS提供的腳本語言（Program），編制了快速創(chuàng)建葉片的批處理程序(Program File)，大大加快了葉片的建模速度。

3.2.1 Program File介紹

Program File是I-DEAS提供的一個較低級的編程接口，其實(shí)就是一個類似腳本程序的批處理文件，它是I-DEAS命令集，是一個純文本文件，可以在IDEAS中通過錄制方式創(chuàng)建，也可以用一般的文本編輯工具創(chuàng)建及修改。它提供了創(chuàng)建變量和簡單的交互功能，如可以暫停腳本的執(zhí)行，輸入?yún)?shù)等。本文主要通過VB程序根據(jù)用戶輸入的坐標(biāo)自動創(chuàng)建在IDEAS中畫樣條曲線的腳本文件 （即本系統(tǒng)的葉片截面）。下面介紹本文的實(shí)現(xiàn)方法。

3.2.2 葉片截面的自動建模

為了輸入方便，用VB開發(fā)了一個根據(jù)輸入坐標(biāo)自動生成I-DEASProgram File格式的文本文件的實(shí)用工具。其界面如圖4所示。

下面是由Program生成器生成的I-DEASProgram File文件（其中一部分，文件名為DynamicProfile2.prg，低壓壓氣機(jī)第二級動葉截面）

圖4 界面

圖5為DynamicProfile2.prg文件在I-DEAS中執(zhí)行自動生成的低壓壓氣機(jī)第二級動葉截面圖。對圖5各截面進(jìn)行放樣操作即可創(chuàng)建葉片的實(shí)體模型，因?yàn)榉艠舆^程必須調(diào)整各線段之間的對應(yīng)關(guān)系，操作比較復(fù)雜，而且沒有規(guī)律所以不易通過腳本程序?qū)崿F(xiàn)。因此在用腳本得到截面的基礎(chǔ)上，本文通過手工放樣創(chuàng)建葉片實(shí)體模型。圖5通過放樣得到圖6所示的葉片模型。

圖5 截面

在反復(fù)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，得到的發(fā)動機(jī)葉片快速建模法。實(shí)踐證明是高效可行的，而且極利于數(shù)據(jù)的保存和修改。

圖6 模型

3.3 空間管路的快速建模方法

充分利用I-DEAS強(qiáng)大的CAD建模功能成功探索了快速建立空間三維管路的技巧。

3.3.1 管路的快速建模

I-DEAS提供的管路構(gòu)造方法是首先建立管路路徑（掃描路徑），通過掃描（Sweep）方式形成管路，掃描路徑可以是二維和三維空間曲線，曲線由坐標(biāo)輸入形成也可以采用樣條曲線和參數(shù)曲線方程的形式，如何快速地構(gòu)造掃描路徑成為空間管路造型的關(guān)鍵。在基于I-DEAS的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)設(shè)計了一個空間管路造型輔助工具。其構(gòu)成框圖如圖7所示，進(jìn)行管路構(gòu)造時，根據(jù)管路初始設(shè)計，選取構(gòu)造方式。對一般簡單的管路 （空間點(diǎn)易于捕捉），直接通過IDEAS提供的管路構(gòu)造模塊（Sweep方式）進(jìn)行造型；對較復(fù)雜的管路，調(diào)用管路構(gòu)造輔助工具，進(jìn)行人工交互式造型，通過提供的管路線段起點(diǎn)坐標(biāo)，彎頭半徑，由系統(tǒng)指示的箭頭選取和設(shè)定路徑方向進(jìn)行中心線構(gòu)造。構(gòu)造過程兩種方式隨時可以轉(zhuǎn)換。

發(fā)動機(jī)的管路一般由直管、彎管和彎頭組成，彎管指中心線由圓弧組成，因此管路造型系統(tǒng)只針對直觀和彎管的快速造型。如需要構(gòu)造復(fù)雜的管路，只需要調(diào)用I-DEAS的空間曲線模塊（3Dspine三維樣條等）構(gòu)造管路掃描中心線即可。

同樣，為了進(jìn)行參數(shù)化建模，可以將常用彎管、連接件建立不同結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)化特征庫，以方便修改和調(diào)用。另外，根據(jù)管路問題的需求，建立一個常用管子的數(shù)據(jù)庫，并對管子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效管理。

3.3.2 管路的干涉檢查

實(shí)際管路布置時是不允許管路之間、管路與其它零件之間發(fā)生干涉的。干涉也是實(shí)際操作過程中根據(jù)管路布置圖布置管路所遇到的最大問題。在IDEAS中構(gòu)建管路時，I-DEAS也不會自動檢測管路是否有干涉，從而阻止用戶創(chuàng)建該管路。但I(xiàn)-DEAS單獨(dú)提供了干涉檢查模塊。利用此模塊可根據(jù)布置要求，設(shè)立管路最小間隙控制值，當(dāng)空間管系中相鄰管之間距離小于此值時，裝配圖中的相應(yīng)位置以高亮度顯示，同時可以利用Info和Measure功能，測量查詢各有關(guān)點(diǎn)的間隙情況。本系統(tǒng)利用I-DEAS干涉模塊較好地解決了管路干涉問題。圖8是兩管發(fā)生干涉的情況，左邊是右邊的管子發(fā)生干涉的情況。

圖7 流程圖

圖8 干涉

3.4 火焰筒的實(shí)體建模

圖9為火焰筒實(shí)體模型。由圖可見該火焰筒由四大部分組成：旋流器、隔熱屏、混合器及其它附件。圖10為各部件按裝配順序的分解圖。旋流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模過程中使用的特征較多，如旋轉(zhuǎn)拉伸、放樣、陣列等，而且要多次運(yùn)用布爾運(yùn)算，但在IDEAS中較復(fù)雜的布爾運(yùn)算容易失敗。為了確保布爾操作成功（操作矩陣非奇異），在建模時應(yīng)該留有一定的余量，特別是在放樣曲面相交處?；旌掀鞯慕Y(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是其截面線型較復(fù)雜，而且各截面之間過渡性不是很好。這樣的截面在放樣過程中曲面容易發(fā)生脊鄒、走樣等問題。為了解決此問題，必須合理分割每個截面的線段，正確對應(yīng)各截面的線段。因?yàn)榉艠又饕ㄟ^在各截面的對應(yīng)線段間產(chǎn)生空間樣條包絡(luò)線，再用曲面擬合包絡(luò)線，生成實(shí)體。因此各截面線段的對應(yīng)關(guān)系很重要。隔熱屏結(jié)構(gòu)和建模都比較簡單，主要通過旋轉(zhuǎn)截面生成。上面的小孔通過圓周陣列特征而成。陣列和拷貝不同，陣列只產(chǎn)生基特征的一個引用而不生成新的特征。因此基特征的改變也會作用于被陣列的特征。

圖9 火焰筒

圖10 火焰筒主要零件圖

布爾運(yùn)算涉及兩個零件，用于把一個已經(jīng)存在的零件作為另一個零件的特征。在I-DEAS中，布爾運(yùn)算主要分為：

1）合并：將一個零件加在另一個零件上，產(chǎn)生一個新零件。

2）切除：用一個零件去切除另一個零件，產(chǎn)生一個新零件。

3）相交：使兩個零件相交，相交部分產(chǎn)生一個新零件。

4）分割：用一個零件去分割另一個零件，使該零件分割成兩個或更多部分。

5）切割表面：用一個零件的幾何圖形去切割另一個零件的表面。

3.5 一、二級渦輪動葉實(shí)體建模

渦輪一、二級動葉的結(jié)構(gòu)和建模過程類似，下面以第一級渦輪動葉為例介紹復(fù)雜葉片的建模方法。圖13是第一級渦輪動葉的實(shí)體造型 （為了方便觀察葉片內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，葉片被調(diào)成了帶有一定的透明度）。

由圖11可見第一渦輪級動葉，不僅外形曲線復(fù)雜，為了保證足夠強(qiáng)度和最大的散熱效果，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜。在此葉片的建模過程中遇到的最大問題是，特征的定位和特征的布爾操作。因?yàn)橐鋈~片里面的結(jié)構(gòu)，必須對特征進(jìn)行定位。然而葉片外型為放樣曲面，很難在其上面選擇適當(dāng)?shù)膮⒖键c(diǎn)建立工作平面。另外，因?yàn)槿~片外型為放樣實(shí)體很難對其布爾操作（I-DEAS中對由樣條線、函數(shù)曲線生成的實(shí)體或通過放樣生成的實(shí)體很難對其進(jìn)行布爾操作）。本文在葉片的建模過程中主要利用拉伸、放樣和布爾操作等技術(shù)。針對葉片內(nèi)部特征定位困難的問題，在葉片放樣前首先建立多個參考坐標(biāo)系，每完成一步特征操作，保留其關(guān)鍵點(diǎn)、線、面為下一步操作提供基準(zhǔn)，采用步步為營建立參考坐標(biāo)系的方法較好地解決了葉片內(nèi)部特征定位較難的問題。針對布爾操作不易成功的問題，在葉片建模過程中盡量少用布爾操作，對于不得不使用布爾操作的地方，在工程誤差允許范圍內(nèi)，給布爾操作的特征留有一定的余量，并且盡可能地避免布爾操作特征表面相切。

圖11 第一級動葉

4 發(fā)動機(jī)整機(jī)的虛擬裝配

在完成零部件的實(shí)體建模，利用I-DEAS的裝配模塊 （Assembly）可以在I-DEAS平臺上實(shí)現(xiàn)虛擬裝配。本文利用I-DEAS的裝配模塊實(shí)現(xiàn)了該型發(fā)動機(jī)的整機(jī)虛擬裝配。通過裝配不僅可以觀察整機(jī)的概貌，而且還可以發(fā)現(xiàn)零件建模中的錯誤、通過裝配件的干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)裝配件的發(fā)生干涉情況、進(jìn)行裝配件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析等。

4.1 發(fā)動機(jī)的整機(jī)裝配

如圖12所示為該型發(fā)動機(jī)的總體裝配模型。裝配件是從零件的一個實(shí)例創(chuàng)建的而不是零件本身，因此改變裝配件不會影響零件，而在建模模塊中零件的改變對裝配件產(chǎn)生影響，裝配只是把零件按照裝配樹的結(jié)構(gòu)組織在一起。因此本文為了保證數(shù)據(jù)的一致所有修改都在建模模塊中對零件進(jìn)行。

圖12 某型發(fā)動機(jī)實(shí)體造型

裝配過程中要建立合理的裝配約束關(guān)系，如圖13是I-DEAS裝配模塊所有可用的裝配約束。

圖13 裝配約束

合理規(guī)劃裝配樹結(jié)構(gòu)也是非常重要的，本文裝配樹結(jié)構(gòu)基本上根據(jù)設(shè)計圖紙采用的裝配關(guān)系規(guī)劃的。圖14為低壓壓氣機(jī)裝配模型和裝配樹結(jié)構(gòu)（其中的一部分）

4.2 干涉檢查

干涉檢查主要是查看裝配件之間的干涉關(guān)系，顯然裝配件如果有干涉，實(shí)際安裝時是裝不上去的。在發(fā)動機(jī)等大型復(fù)雜設(shè)備研制和設(shè)計改進(jìn)階段，裝配件的干涉檢查對及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤是非常有用的。

圖14 壓氣機(jī)模型

4.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

在裝配的基礎(chǔ)上，可以直接在裝配模塊或機(jī)構(gòu)仿真模塊中進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析。利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真可以模擬燃?xì)廨喒ぷ鲿r各零部件的運(yùn)動情況和約束關(guān)系。并可生成發(fā)動機(jī)工作時的演示動畫。由于機(jī)構(gòu)仿真不是本文的主要內(nèi)容，因此本文對發(fā)動機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真不做深入討論。

5 結(jié)語

本文利用I-DEAS平臺，克服了某型發(fā)動機(jī)實(shí)體建模的困難，建立了數(shù)字樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)的數(shù)字化工程。此數(shù)字樣機(jī)是虛擬發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)，所創(chuàng)建的原始數(shù)據(jù)也為以后對此型發(fā)動機(jī)進(jìn)行下一步設(shè)計改進(jìn)和性能分析打下了基礎(chǔ)。

[1]汪成為,高文,王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，1996.

[2]劉子建,黃紅武,宗子安.計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)原理及應(yīng)用技術(shù).湖南大學(xué)出版社,1997.

[3]趙沁平.分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境－現(xiàn)代戰(zhàn)爭的的實(shí)驗(yàn)場.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001.

[4]劉大響，陳光等.航空發(fā)動機(jī)－飛機(jī)的心臟.航空工業(yè)出版社，2003.