翟曉　田振宇　張霽　姜文英

摘 要：主要闡述了基于CATIA三維設計軟件平臺建立火箭發(fā)動機靜力試驗工裝三維模型的方法，并以后裙過渡框為例，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對其結構強度進行了計算，確保其安全性滿足設計要求。根據(jù)靜力試驗安裝要求及工裝裝配關系，對所建立的三維模型進行虛擬裝配，優(yōu)化試驗工藝，并對試驗工裝關鍵連接部位進行檢測，確保試驗工裝的無干涉裝配。利用三維數(shù)字化技術進行火箭發(fā)動機靜力試驗工裝設計，不僅可以提高設計水平和效率，還可以模擬試驗裝配過程，對試驗具有重要的指導意義。

關鍵詞：三維建模；結構強度分析；虛擬裝配；干涉檢測

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.112

火箭發(fā)動機需要通過靜力試驗來檢驗發(fā)動機殼體的強度及結構性能，試驗工裝用于模擬試驗件兩端的邊界條件、傳遞載荷。傳統(tǒng)的試驗工裝設計安全系數(shù)遠大于發(fā)動機殼體的安全系數(shù)。為了更加真實地模擬發(fā)動機殼體的邊界條件，目前的設計標準要求工裝強度要與試驗件強度相近。在二維設計模式下，只能利用理論計算方法對試驗工裝的安全性作初步的分析計算，不能獲得比較精確的安全系數(shù)。并且，試驗工裝設計的合理性、與試驗件的匹配度，只能在試驗裝配過程中才能發(fā)現(xiàn)。一旦出現(xiàn)問題，勢必會影響試驗進展。

本文以固體發(fā)動機殼體靜力試驗中使用的后裙過渡框試驗工裝為例，介紹了利用CATIA軟件建立三維模型的方法，并通過ANSYSY Workbench軟件模擬受載情況，獲得其等效應力云圖和整體變形云圖，以計算結果指導工裝設計，從而保證試驗工裝的安全系數(shù)滿足設計要求。此外，利用CATIA裝配模塊對試驗件及試驗工裝按照靜力試驗要求進行虛擬裝配，形成安裝工序視頻，對關鍵連接部位的裝配情況進行檢查，并無干涉現(xiàn)象。三維數(shù)字化技術取代了傳統(tǒng)的實物模裝，極大地提升試驗工裝設計和裝配的效率、質量，具有重要的推廣價值。

1 三維建模

后裙過渡框與固體發(fā)動機殼體的后裙連接，因此其連接孔尺寸、數(shù)量及分度圓要與發(fā)動機殼體保持一致，據(jù)此確定試驗工裝的主要尺寸，再根據(jù)確定的參數(shù)進行試驗工裝的建模。建模過程中，對于連接尺寸外的其他尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗和設計標準確定。

利用CATIA軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維設計方法，建立試驗工裝的三維模型，通過三維建模、視圖定義、剖面定義、尺寸標注、技術要求等方式，完整、準確表達和傳遞設計意圖。利用CATIA軟件可實現(xiàn)二、三維結合出圖，方便加工人員加工。圖1為與某型號固體發(fā)動機殼體后裙過渡框工裝的三維模型，圖2為由三維模型轉成的二維圖紙。

此外，靜力試驗用到的其他試驗工裝有前裙過渡框、試驗平臺、連接螺栓，都可以利用CATIA軟件建立三維模型。

2 結構強度分析

在ANSYS Workbench有限元分析中，將模型的次要部分做簡化處理，可以在保證精度的基礎上減少計算量。本文將后裙過渡框的連接孔和倒角忽略，三維模型另存為.stp格式的文件，然后導入ANSYS Workbench，對試驗工裝的靜力學結構性能進行仿真分析。在靜力試驗過程中，后裙過渡框與發(fā)動機殼體連接的端面處受均勻分布力，并且后裙過渡框為軸對稱結構。因此，為了提高計算速度，取模型的1/4進行分析。

后裙過渡框材料為45鋼，彈性模量E=230 GPa，泊松比υ=0.3，質量密度ρ=7.8×103 kg/m3。利用六面體網(wǎng)格劃分（Hex Dominant）方法對后裙過渡框的1/4模型進行網(wǎng)格劃分，對底部進行約束，令其x，y，z三個方向的位移為零、上端面均勻受力。過渡框與試驗件連接處承壓載荷為F=2 800 kN，在1/4模型中過渡框的上端面受力為F=700 kN。后裙過渡框的載荷分布情況見圖3.

由于是靜力分析，只需利用ANSYS Workbench軟件默認求解器求解運算。求解完成后，在后處理器中導出后裙過渡框的等效應力（von-Mises Stress）云圖和整體變形（Total Deformation）云圖，如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，后裙過渡框承受的最大應力為180.8 MPa，位置為加強筋與上端面的交界處。從圖5可以看出，后裙過渡框的最大位移為0.138 mm。

在靜力試驗設備設計中，引起設備破壞載荷與工作中對其施加載荷之比稱為“安全系數(shù)”。45鋼的安全許用應力為σs=355 MPa，因此后裙過渡框的安全系數(shù)n為：

≤2. （1）

因此，按照試驗要求設計的后裙過渡框既能滿足工裝安全性要求，同時其強度與試驗件強度相近，又滿足工裝強度要求。

3 虛擬裝配及靜態(tài)干涉檢查

3.1 虛擬裝配

虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)境，根據(jù)產(chǎn)品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。

為了區(qū)別不同的零/部件，先對試驗件與試驗工裝配以不同顏色，再將前、后裙過渡框、連接螺栓、試驗平臺等試驗工裝和發(fā)動機殼體的三維數(shù)字模型導入CATIA軟件的裝配設計模塊中，在虛擬環(huán)境下進行仿真裝配。通過運用相合、接觸和角度等約束，將后裙過渡框固定于試驗平臺上，并將前、后裙過渡框分別與發(fā)動機殼體的前、后裙連接孔固定，實現(xiàn)固體發(fā)動機殼體靜力試驗裝配的數(shù)字化模擬。圖6為某型號固體發(fā)動機殼體靜力試驗虛擬裝配后的安裝圖。

在CATIA軟件的數(shù)字化裝配（DMU）模塊中，可以將虛擬裝配步驟記錄下來，并保存成DMU動畫或視頻的形式，在正式裝配前方便技術人員及裝配人員查看電子樣機。虛擬裝配與實際裝配過程相結合，不僅可以提高三維數(shù)字化技術的實際應用水平，還可以形成試驗裝配要點，形成規(guī)范化文件，用于指導試驗現(xiàn)場安裝。

3.2 干涉分析

在試驗件裝配完成后，需要進行裝配分析。CATIA軟件的裝配模塊具有各種功能性檢測手段，如安裝、拆卸、干涉檢查、截面掃描等，可以檢查試驗工裝與試驗工裝、試驗工裝與試驗件的裝配情況。利用虛擬裝配技術的檢測功能，可以對裝配的關鍵部位及截面進行檢查。在該試驗中，需要檢測發(fā)動機殼體的前（后）裙與前（后）裙過渡框的連接情況。選取關鍵截面，如圖7，殼體前裙與前裙過渡框的螺栓連接間隙檢測結果見圖8（a），后裙與后裙過渡框的連接間隙檢測結果見圖8（b）。檢測結果表明，前、后裙過渡框尺寸設計合理，與殼體前、后裙未發(fā)生干涉、碰撞，復合試驗工裝設計要求。

由于虛擬裝配技術加強了設計過程最為關鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在虛擬裝配過程中不斷對試驗工裝進行驗證，大部分設計錯誤都能被發(fā)現(xiàn)和避免，縮短了工裝研制周期，降低了設計實物及試驗工裝更改的風險。

4 結論

三維數(shù)字化設計技術的應用越來越廣泛，本文針對火箭發(fā)動機殼體靜力試驗工裝進行了基于CATIA軟件的三維建模和基于ANSYS Workbench軟件的結構強度分析。在設計過程中，可以依據(jù)試驗室現(xiàn)有條件設計出試驗工裝的三維模型，并通過分析試驗工裝承載時的變形情況，確保其結構強度和剛度在滿足設計要求的前提下，可以減輕結構設計中的無效質量，減小體積，獲得最優(yōu)化的試驗工裝設計方法。

CATIA軟件的虛擬裝配技術彌補了傳統(tǒng)裝配工藝依賴設計人員及操作人員經(jīng)驗的缺點，可以將試驗裝配預先在計算機上完成。一方面，可以在虛擬裝配模式下對裝配情況進行干涉檢查，提前發(fā)現(xiàn)試驗工裝設計上的錯誤和誤差，及時進行修正，實現(xiàn)固體發(fā)動機殼體靜力試驗工裝的無干涉裝配；另一方面，通過虛擬裝配過程視頻可以指導現(xiàn)場試驗裝配，縮短了試驗準備周期，實現(xiàn)三維設計過程與裝配過程的高度統(tǒng)一。

將三維數(shù)字化技術應用于固體發(fā)動機殼體靜力試驗中，能夠有效提升火箭發(fā)動機靜力試驗設計水平，為行業(yè)的數(shù)字化和系統(tǒng)化發(fā)展提供借鑒。

參考文獻

[1]姚理，劉慧琴，何小國，等.基于CATIA中DELMIA的虛擬裝配技術的應用[J].計算機應用技術，2014，2（41）.

[2]胡海龍.CATIA V5 R18基礎設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]朱紅鈞.ANSYS 15.0幾何建模與網(wǎng)格劃分實戰(zhàn)指南[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4]張巖.ANSYS Workbench 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5]程凱.基于CATIA系統(tǒng)的虛擬裝配技術應用研究[J].計算機輔助設計與制造，2002，04：24-27.

作者簡介：翟曉（1984—），女，研究方向為發(fā)動機靜強度試驗研究。

〔編輯：劉曉芳〕