范澤兵，胡 楊，吳 鋒，何培壘

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西南昌330000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(以下簡稱高空臺)承擔(dān)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研驗(yàn)證和考核鑒定試驗(yàn)任務(wù)[1]。不同型號發(fā)動(dòng)機(jī)因安裝結(jié)構(gòu)、尺寸及接口等方面存在差異，其對試車臺架工藝系統(tǒng)的要求有所不同，就是同一型號不同批次發(fā)動(dòng)機(jī)對臺架的要求也會(huì)隨著研發(fā)進(jìn)度而發(fā)生變化。因此，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)時(shí)，常需要根據(jù)不同型號不同批次發(fā)動(dòng)機(jī)對臺架的要求進(jìn)行臺架適應(yīng)性設(shè)計(jì)。目前，我國高空臺試車臺架設(shè)計(jì)存在零部件通用性不高、設(shè)計(jì)周期長，導(dǎo)致臺架設(shè)計(jì)工作量大、效率低等問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用三維軟件開發(fā)出參數(shù)化的零部件結(jié)構(gòu)、建立標(biāo)準(zhǔn)零件庫對零件進(jìn)行整體驅(qū)動(dòng)，可大大減少重復(fù)性勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高效率，這種參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)已在橋梁[2]、汽車[3]、航空發(fā)動(dòng)機(jī)[4-7]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鑒于參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢，本文將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺架設(shè)計(jì)中，通過分析確認(rèn)試車臺架的典型結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵參數(shù)和約束管理，在構(gòu)建零組件參數(shù)化模型和數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上建立了試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)效率。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)又稱尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于可用一組參數(shù)約束、結(jié)構(gòu)和形狀變化均較小的構(gòu)件[8]。參數(shù)化設(shè)計(jì)分為零件級和部件級參數(shù)化設(shè)計(jì)。零件級參數(shù)化設(shè)計(jì)是運(yùn)用一組變量控制零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部件級參數(shù)化設(shè)計(jì)是采用多級控制參數(shù)，從最上級向下逐級進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直到最下級的單一變量控制單一特征變型，才完成部件參數(shù)化過程。多級參數(shù)驅(qū)動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 多級參數(shù)驅(qū)動(dòng)流程Fig.1 Multi-level parameter driven process

2.2 模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中產(chǎn)品族劃分的基本方法。將具有相似結(jié)構(gòu)、性能或功能的零部件劃分出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多變性與零部件標(biāo)準(zhǔn)化的有機(jī)結(jié)合。試車臺架也可根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能的不同劃分為不同的模塊，以便于實(shí)現(xiàn)臺架的模塊化設(shè)計(jì)。

2.3 WAVE技術(shù)

WAVE技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)相關(guān)部件間建模的技術(shù)。體現(xiàn)為自頂向下的設(shè)計(jì)方法，即先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再根據(jù)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行部件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。WAVE技術(shù)在試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)思想與方法上，在進(jìn)行臺架設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確認(rèn)臺架的布局，然后運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行部件級、零件級的參數(shù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試車臺架自頂向下的逐級設(shè)計(jì)。

3 試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

試車臺架中回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和對稱結(jié)構(gòu)零件較多，且發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺上的安裝方式較為固定，便于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)流程見圖2，主要包括臺架參數(shù)化建模和臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)兩部分。

圖2 試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)流程Fig.2 The flowchart of test rig parametric design

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：①試車臺架分析——對臺架進(jìn)行分類，確定需要進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的臺架，提取臺架零組件的典型結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵參數(shù)和約束關(guān)系；②模塊劃分——根據(jù)臺架的功能和結(jié)構(gòu)對臺架進(jìn)行模塊劃分，并建立重用件庫和標(biāo)準(zhǔn)件庫；③零部件參數(shù)化建?！⑴_架零件的參數(shù)化模型；④數(shù)字樣機(jī)建立——運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)建立試車臺架的數(shù)字樣機(jī)；⑤參數(shù)化設(shè)計(jì)——運(yùn)用WAVE技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)建立自頂向下的臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

3.1 試車臺架分析

通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及臺架結(jié)構(gòu)，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式及該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的主要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)及試車臺架在試驗(yàn)設(shè)備上的安裝如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)在試車臺架上的安裝Fig.3 Installation on the test rig of aero-engine

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)Fig.4 Main structural features and parameters

圖4示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和主要參數(shù)。其中，與臺架相關(guān)的主要結(jié)構(gòu)特征包括：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的密封形式、主支點(diǎn)和輔助支點(diǎn)的布置及支撐形式、發(fā)動(dòng)機(jī)最大外輪廓、發(fā)動(dòng)機(jī)管路接口結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)形式。與臺架相關(guān)的主要參數(shù)為：進(jìn)口直徑，尾噴口最大直徑、總長、主支點(diǎn)位置、輔助支點(diǎn)位置及安裝角度等。發(fā)動(dòng)機(jī)與臺架流量管的連接主要有端面壓緊和螺栓連接兩種。發(fā)動(dòng)機(jī)主支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式主要有主支點(diǎn)和主支座兩種。發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)設(shè)備上的支撐形式種類較多，如圖5所示。試驗(yàn)核心機(jī)和整機(jī)由于在結(jié)構(gòu)上差異較大，進(jìn)行臺架設(shè)計(jì)時(shí)需分別進(jìn)行。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)布置方式Fig.5 Fulcrum arrangement

3.2 模塊劃分

試車臺架按功能可分為流量管、主支點(diǎn)、輔助支點(diǎn)、排氣擴(kuò)壓器、附件等模塊，如圖6所示。模塊化劃分完成后可根據(jù)各個(gè)模塊的特點(diǎn)建立參數(shù)化模型，參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)直接引入該模塊并根據(jù)需要修改模塊的參數(shù)和局部結(jié)構(gòu)。

圖6 試車臺架模塊劃分Fig.6 The modular division of the test rig

3.3 零部件參數(shù)化建模

零件參數(shù)化建模是整個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在試車臺架分析和模塊劃分基礎(chǔ)上進(jìn)行，是實(shí)現(xiàn)試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)可采取不同的建模和定位方法，建立的參數(shù)化模型允許對模型的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修改。圖7為流量管收縮段參數(shù)化模型。

圖7 流量管收縮段參數(shù)化模型Fig.7 Parameterized model of flow tube contraction segment

部件參數(shù)化建模在零件參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要是加入了零件之間的裝配約束關(guān)系和關(guān)鍵參數(shù)。流量管等直段組件的參數(shù)化建模如圖8所示。

3.4 數(shù)字樣機(jī)

在完成試車臺架零件參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，按模塊劃分結(jié)果建立各個(gè)模塊的參數(shù)化模型，最終建立試車臺架的虛擬數(shù)字樣機(jī)，形成參數(shù)化的試車臺架模型。

圖8 流量管等直段組件參數(shù)化建模Fig.8 Parameterized model of flow tube straight section component

數(shù)字樣機(jī)是將各個(gè)模塊運(yùn)用參數(shù)化的方法裝配在一起，并根據(jù)各模塊之間的關(guān)系建立幾何約束和尺寸約束。由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不同，試車臺架各模塊組件之間以及模塊中各零件的尺寸約束和幾何約束會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，因此建立的試車臺架數(shù)字樣機(jī)要適應(yīng)這種變化。

試車臺架各段長度按照式(1)確定：

式中：l為試車臺架空氣進(jìn)口到排氣擴(kuò)壓器錐段之間的距離，為定值；ll為流量管長度，且ll≥3dj，其中dj為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直徑；lf為發(fā)動(dòng)機(jī)長度；lfp為發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口到排氣擴(kuò)壓器進(jìn)口的距離，其值在(0.4～1.0)dw之間，其中dw為發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口最大直徑；lp為排氣擴(kuò)壓器長度。

臺架設(shè)計(jì)時(shí)，排氣擴(kuò)壓器一般根據(jù)現(xiàn)有排氣擴(kuò)壓器進(jìn)行選配。通過分析可得到不同直徑下排氣擴(kuò)壓器長度組合，因此一般情況下lp為可選值。初步確定試車臺架各段長度范圍后，對流量管各段的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

式中：ldz為流量管等直段長度，根據(jù)臺架安裝位置及長度確定；lss為流量管收縮段長度；lbc為流量管篦齒段長度；lcl為流量管測量段長度；lzj為流量管轉(zhuǎn)接段長度；dd為設(shè)備導(dǎo)流盆出口直徑。

試車臺架設(shè)計(jì)時(shí)除滿足上述條件外，還需考慮試驗(yàn)臺安裝位置的限制。試車臺架主支架、輔助支架只能在試驗(yàn)臺上的一定范圍內(nèi)安裝(即只能在圖9帶安裝孔位置的部分安裝)。建立數(shù)字樣機(jī)時(shí)應(yīng)初步確定流量管各段的長度，然后結(jié)合試車臺架的安裝條件進(jìn)行調(diào)整。分析現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)參數(shù)，可確定試車臺架主輔支點(diǎn)在設(shè)備上的安裝位置范圍，再結(jié)合式(1)～式(4)就可確定試車臺架的安裝位置。

圖9 試驗(yàn)臺Fig.9 Test rig

3.5 參數(shù)化設(shè)計(jì)

與數(shù)字樣機(jī)自下向上的建立過程相反，試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)過程則是自頂向下。設(shè)計(jì)時(shí)，首先輸入發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)，根據(jù)式(1)～式(4)初步確定試車臺架的總參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)，根據(jù)試車臺架的限制條件進(jìn)行調(diào)整直至滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安裝要求。然后根據(jù)確定的總體參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)對臺架進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并逐級向下進(jìn)行組件設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)并輸出工程圖和零件模型。完成試車臺架設(shè)計(jì)后，需對臺架零組件之間及臺架與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的干涉進(jìn)行檢查并予以避免。同時(shí)，還可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)安裝路徑，避免臺架與發(fā)動(dòng)機(jī)在吊裝過程中出現(xiàn)干涉。

4 實(shí)例應(yīng)用

試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在三維設(shè)計(jì)平臺上開發(fā)建立的，是運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、WAVE技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)等技術(shù)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及尺寸對試車臺架進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其還具備對試驗(yàn)艙、發(fā)動(dòng)機(jī)和試車臺架的安裝進(jìn)行檢查的功能，確保設(shè)計(jì)的臺架滿足安裝要求。

試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)已有產(chǎn)品資源和經(jīng)驗(yàn)的有效利用、試車臺架產(chǎn)品模塊化配置和部件結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，達(dá)到這一目的基礎(chǔ)是產(chǎn)品模塊化和零部件族參數(shù)化模型的建立。利用模塊化技術(shù)對試車臺架產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分，并以參數(shù)化建模方式建立部件模塊主要結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，基于事物特性表技術(shù)完成產(chǎn)品面向用戶需求的配置。對于配置的部件模塊模型，通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)將其實(shí)例化，在實(shí)例化的過程中調(diào)用零部件重用模型庫中元素。

無論是產(chǎn)品的三維模型建立還是變異設(shè)計(jì)，都是以參數(shù)化特征造型技術(shù)為基礎(chǔ)，通過參數(shù)化造型軟件和二次開發(fā)技術(shù)來建立參數(shù)化模板模型和實(shí)現(xiàn)尺寸變異。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品有效配置和部件參數(shù)化變型，還需要數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的支持。圖10為試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)。圖中，技術(shù)層為試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，功能層在技術(shù)層的支持下完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，數(shù)據(jù)層為試車參數(shù)化設(shè)計(jì)提供各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖10 試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)Fig.10 Test rig parametric design system architecture

試車臺架總體設(shè)計(jì)功能如圖11所示。臺架設(shè)計(jì)時(shí)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)和臺架的主要參數(shù)，系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求自動(dòng)生成臺架三維模型；獲得臺架整體模型(圖11)后，可根據(jù)需要進(jìn)一步修改臺架組件、零件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)(圖12)，保證設(shè)計(jì)的臺架滿足使用要求。

圖11 試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)Fig.11 Test rig parametric design system

5 結(jié)束語

圖12 流量管參數(shù)化設(shè)計(jì)Fig.12 Flow tube parametric design

試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)試車臺架設(shè)計(jì)的規(guī)范化、可視化和無紙化，提高試車臺架的重用性和通用性。在縮短試車臺架設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率、降低試驗(yàn)現(xiàn)場返修返工和試驗(yàn)成本以及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有巨大優(yōu)勢。同時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)獲得的數(shù)值模型還可快速用于其他專業(yè)分析，如測試布局研究、強(qiáng)度可靠性分析、諧振分析、流場分析等。

試車臺架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用在某型發(fā)動(dòng)機(jī)及某型核心機(jī)臺架設(shè)計(jì)中，并在其他類型發(fā)動(dòng)機(jī)和試車臺架設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用，且取得了明顯的效果。后續(xù)可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和智能化技術(shù)，對試車臺架進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)。