加强框和梁类零件CATIA建模方法研究

回忆 · 发表于 2017-3-7 18:53:42

　　本文阐述了使用CATIA软件建立加强框、梁类零件数字化模型的有效方法。率先来用法则(Law)、样条线(Spline)和平行曲线 (Parellel)等方法精确定义出了均匀变化、曲率连续的内外缘条厚度，并时缘条、腹板、筋条的统一建模方法进行了研究与分析;尝试规范了精确、简练和快速的加强框、梁类零件数字化定义流程，从而解决了长期困扰飞机结构设计师的加强框、梁等结构件的建模问题。
　　现代飞机机身的加强框、梁等主承力构件，一般都采用模锻件机加制造，属于比较难以加工的非常重要的大型零件。加强框的外形多为环形或双环形，梁的外形多为沿机身纵向的直线形，加强框和梁上一般都布置有承受集中载荷的耳片接头。为提高结构效率，框、梁的剖面多为"工"字形。在工程上，一般将上、下翼缘分别称为外缘条和内缘条，中间的平板称为腹板，腹板上每隔一定距离而设置的用于提高腹板临界剪切应力的立柱称为筋条。框、梁的缘条与外侧蒙皮搭接的宽度称为缘条宽度，内、外缘条高度方向的厚度尺寸一般称为缘条厚度。
　　为了满足重量、强度和结构布局等一系列要求，框、梁构件内、外缘条的宽度、厚度以及缘条与腹板的夹角都是随截面变化而变化的。其设计难点是

1)缘条变宽度;(2)缘条变厚度;(3)缘条与腹板变角度。
　　传统加强框、梁类零件是依据模线样板制造的，而现在是利用数字化模型数控加工完成的。在利用CATIA软件进行数字化定义时，设计师们发现，由于框、梁处的机身理论外缘的曲率变化不规则，并且框、梁零件的缘条的宽度、厚度和角度相互关联，因此难以准确地实现缘条厚度、宽度尺寸的线性、均匀变化。所以说，在过去的很长一段时间内，如何准确合理定义加强框、梁的数字化模型已成为困扰结构设计师的主要问题。
　　1 建模原理与方法
　　典型加强框、梁类零件的典型剖面形状如图1所示。
　　图1加强框、梁类零件的典型剖面
　　笔者通过长期对加强框、梁类零件CATIA建模方法的研究，探索并掌握了许多建模技巧，基本解决了此类零件的建模问题。下面分别阐述此类零件的缘条宽度、缘条厚度和缘条角度的建模原理和方法。
　　关键字： AutoCAD 2009 Photoshop手绘 AutoCAD对象中望CAD AutoCAD三维造型
　　本文阐述了使用CATIA软件建立加强框、梁类零件数字化模型的有效方法。率先来用法则(Law)、样条线(Spline)和平行曲线  (Parellel)等方法精确定义出了均匀变化、曲率连续的内外缘条厚度，并时缘条、腹板、筋条的统一建模方法进行了研究与分析;尝试规范了精确、简练和快速的加强框、梁类零件数字化定义流程，从而解决了长期困扰飞机结构设计师的加强框、梁等结构件的建模问题。
　　1.1缘条宽度
　　由于框、梁类零件的所有缘条厚度都是根据缘条的边缘确定的，因此必须首先准确定义缘条的宽度。在建模时，采用在每2个缘条宽度变化的区间使用多截面实体，其方法和步骤如下:首先分别在每个宽度变化分界面上建立各自截面的草图，草图中约束缘条的宽度值。在"多截面实体"栏中定义"闭合点"，使2个截面的法线方向一致，并且使用内、外缘条的2条导引线控制其宽度均匀、线性变化，图2所示的是使用多截面实体定义缘条宽度的会话框。
　　c.按"确定"后，生成的缘条宽度既符合宽度的线性变化趋势，又符合设计要求，而且便于数控加工。
　　图3所示的是使用多截面实体定义缘条宽度的建模过程。
　　1.2缘条厚度
　　某段加强框的图形和尺寸如图4所示，缘条的厚度尺寸一般控制在筋条处。理论上，在缘条厚度从9变化到16的区域，应保证其厚度大于9小于16，并且均匀、线性变化，光滑过渡。在以往的数字化定义过程中，确定缘条厚度的矛盾非常突出，曾先后使用了样条线、样条线十控制点、不等距偏移线等方法进行建模。数字化制造时发现缘条厚度过渡不均匀，部分区域出现波浪性的反复变化，而且有些零件截面的厚度过小，甚至造成强度不够的严重后果，致使零件报废。
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　　本文阐述了使用CATIA软件建立加强框、梁类零件数字化模型的有效方法。率先来用法则(Law)、样条线(Splin
　　e)和平行曲线(Parellel)等方法精确定义出了均匀变化、曲率连续的内外缘条厚度，并时缘条、腹板、筋条的统一建模方法进行了研究与分析;尝试规范了精确、简练和快速的加强框、梁类零件数字化定义流程，从而解决了长期困扰飞机结构设计师的加强框、梁等结构件的建模问题。
　　为了解决缘条厚度的问题，笔者创新地联合使用了法则(law)、样条线(Spline)和平行曲线(Patellel)等工具精确定义出了均匀变化、曲率连续的缘条厚度，其方法和步骤如下:
　　a.根据加强框或梁的缘条厚度变化情况，建立以直线为基准的缘条厚度的Spline线，每段直线段的长度与两筋条间的框缘条长度一一对应，Spline线与基准直线在控制点处的距离与缘条厚度一一对应。图5所示的是基准直线与Spline线的对应关系。
　　注意:在建立Spline线时，切记在样条线的"显示参数"栏里定义印line线的切线方向、张度和曲率方向。切线方向定义为基准直线的方向;张度值选  0.1，张度值表示样条线在控制点处的切线值，它足够小，可以保证Spline线在每个控制点左、右非常小的区域内完成尖点的圆滑过渡，而基本不影响2个控制点之间缘条厚度的线性变化;曲率方向也定义为基准直线的方向。
　　b.在上述基准直线和Spline线之间定义一个法则。
　　使用平行曲线，曲线选框的理论内缘或理论外缘，常量选上述定义的"法则曲线"，平移出所需要的线性变化、光滑过渡的缘条厚度曲线。
　　d.使用草图工具的"投影三维元素"和"修剪"将平行曲线中的线条投影至草图并根据某段框或梁的结构形式修剪为需要的长度，作出内、外缘厚度正确的封闭草图。
　　e.使用凹槽等方法去除多余材料，抠出"工"字形的加强框缘条的形状。
　　图6所示的是去除多余材料后的"工"字形框缘条形状。
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　　本文阐述了使用CATIA软件建立加强框、梁类零件数字化模型的有效方法。率先来用法则(Law)、样条线(Spline)和平行曲线  (Parellel)等方法精确定义出了均匀变化、曲率连续的内外缘条厚度，并时缘条、腹板、筋条的统一建模方法进行了研究与分析;尝试规范了精确、简练和快速的加强框、梁类零件数字化定义流程，从而解决了长期困扰飞机结构设计师的加强框、梁等结构件的建模问题。
　　1.3缘条角度
　　为了保证每一截面的缘条厚度基本一致，缘条和腹板的夹角是变化的。一般情况下角度变化是以筋条分界，如筋条左侧是900，筋条右侧是9100为了分隔2个不同的曲面，以往建模时将该处筋条设计成一与缘条同高，即"满筋"结构。但这种结构形式既改变了设计的初衷，又毫无必要地增加了零件的质量。
　　本次建模采用满筋结构来分隔2个缘条与腹板夹角不同的区域，然后再去除多余部分。这样既满足了设计的要求，又减轻了结构重量。图7所示的是缘条与腹板夹角不同的区域的建模过程，其步骤如下:
　　a.建立"满筋"结构，以分隔不同的区域。
　　b.应用拔模建立角度正确的框缘条，图7(a)所示的是拔模后的"满筋"结构。
　　c.用分割的方法去除"满筋，的多余部分，与缘条相连的部分顶留0.3-1.Omm的余量，使筋条的高度与设计要求一致。图7(b)所示的是去除"满筋"的多余部分的结构。
　　d.倒圆角，图7(c)所示的是建模后的最终状态。
　　1.4加强框、梁类零件建模流程
　　传统的加强框、梁等零件的建模过程是根据数控加工的先后顺序建立的，模型步骤繁多，结构树复杂，而且占用大量的存储空间，修改维护起来十分麻烦，有时甚至需要重新建模，才能解决问题。
　　本次建模，力求以最少的几何元素来建立完整、精确的模型，尽量采用最简单、最直接的方式来分别建立零件的缘条宽度、厚度、角度和腹板的厚度，减少了几何尺寸的运算过程，降低了模型的复杂度，明显提高了建模效率，并且模型结构树简单，存储空间较小，便于后期修改维护。规范后的加强框、梁类零件建模流程如图8  所示。
　　2 建模特点分析
　　上述建模方法适用于所有的缘条变宽度、变厚度和变角度的加强框、梁类等零件的数字化定义过程。与其他方法比较，此方法具有以下明显的优势:
　　a.提高了数模的准确性。应用法则、样条线和平行曲线的联合功能，完全解决了缘条的宽度和厚度变化不均匀的问题。
　　b.便于数模的检查和校对。缘条的宽度和厚度尺寸都是在草图中定义的，尺寸清晰，表达集中。
　　c.方便数模的修改和维护。由于建模步骤简单，存储空问较小，修改起来速度很快，在非常短的时间内即可完成。
　　d.大大提高了建模的工作效率。据统计，较之以前的建模方法，规范后的方法可将建模时间缩短至少一半。
　　e.降低了模型的出错概率。由于尽量采用最简单、最直接的方式来分别建立零件的缘条宽度、厚度、角度和腹板的厚度，减少了几何尺寸的运算过程和建模的步骤，因此大大降低了出错的概率。
　　3 结束语
　　上述建模方法基本解决了长期以来加强框、梁类零件的数字化模型的缘条厚度变化不均匀的间题，实现了数模尺寸的精确性和连续性。本文中的建模流程明显提高了加强框、梁类等复杂零件建模的工作效率和可维护性，在某型飞机三维建模过程中已经取得了良好的效果。通过数字化制造的实践和检验，已经验证了该建模方法和流程的可行性，可以进行推广应用。