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航空发动机复杂壳体类零件的参数化建模方法研究 |
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摘要：本文根据航空发动机复杂壳体类零件的结构特点，利用特征集的思想，把复杂零件分解成若干类似零件的"小零件"，再通过特征简化和特征分解，把零件分解为一个个具体特征，建立起零件的特征树，然后按照层次关系分析每个特征的基准，构造出零件的基准体系框架，从而实现三维建模，形成了一套航空发动机复杂壳体类零件参数化建模的方法。
关键词：复杂壳体类零件；参数化建模；特征集；特征分解；基准
1．引言
航空发动机壳体类零件具有结构复杂，孔、腔繁多，设计要求高，加工难度大等特点，其三维模型的建立一直是急需解决的难点，这直接影响到模具的设计与制造，并导致航空发动机生产周期过长，也是制约建立航空发动机电子样机的瓶颈。本文结合一项“十五”攻关课题，对复杂壳体类零件的建模方法进行了深入的研究，提出一套基于特征的复杂壳体类零件参数化建模的基本方法。
2．参数化特征建模
2.1 特征
特征是一组与零件描述相关的信息集合，它包含了大量设计人员的设计意图。 一般特征可以分为：形状特征、精度特征、材料特征、技术特征和装配特征。特征是组成零件的基本元素，应满足以下要求：
1. 特征是以结构的实体几何（CSG）和边界表示（B-Rep）为基础的几何形体定义；
2. 特征是参数化的几何实体，通过改变特征尺寸参数，可以用有限的特征构造出各种零部件实体模型；
3. 特征具有自己的属性，如精度、材料、技术条件等。
从建模的角度，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素，它们反映了一个实际工程零件或部件的特定几何形状，在参数化特征造型里，把特征分为下面的两种类型：
1.几何特征(也叫形状特征)：它们反映零件的特定的几何形状，包括：
1 )基本特征：如体素特征、拉伸体特征、旋转体特征和扫描体特征等；
2 )成型特征：如孔、倒圆和倒角等；
2.辅助特征：是用来约束组成零件的不同几何特征的位置。包括工作面，工作轴，工作点和基准坐标系等。
2.2 参数化
参数化设计是通过定义特征间的几何约束和尺寸约束，自动维护特征间的关联关系，保证模型修改的一致性和有效性[1]。参数化设计是以表达式的形式存储设计参数，来实现参数驱动。它主要有两种操作类型，一种是尺寸约束参数化，对形状特征进行尺寸约束;一种是定位约束参数化，即对特征进行定位约束。
将参数化设计与特征建模结合起来，使得特征作为参数的载体，通过特征的操作构造零件的几何形状，使得不同特征的形状尺寸和位置尺寸在一定范围内，操作者可以根据需求调整参数值，得到所需零件。
3．复杂壳体类零件建模的步骤
尽管机械产品的结构形式千差万别，用途和工作原理也各不相同，但在计算机上进行三维实体建模还是有一些规律可循，特别是复杂壳体类零件的建模，本文提出的建模过程为：零件结构分析——特征分解——基准体系分析——创建基本特征——创建附加特征。
3.1 壳体零件的结构分析
复杂壳体零件结构复杂，其三维建模是个艰巨的任务，一个零件的三维建模往往需要几个月甚至半年的时间才能完成。为了保证建模的科学性，正确性和合理性，在三维建模前，一般要根据零件的总体构造特点与零件工作功能机理对壳体零件进行结构分析，把关联关系比较紧密的一些特征作为一个特征集，这样可以把一个复杂零件分成几个类似“零件”的特征集[2]，并分析这些特征集之间的位置关联关系，确定特征集之间的建模顺序。
所谓特征集是指为实现某一功能而相关联的若干特征的集合，这些特征之间的相互关联表现在几何和位置上的相互依存。在一个特征集中，一般总可以选出一个比较明显的特征，是其它特征定位的基础，我们称之为基特征，当基特征消失时，会引起依附特征的消失。基特征最大的特点就是它描述了零件的主要形状，相对依附特征具有一个比较大的接触面，或者具有较大的尺寸，它可以是复杂的拉伸特征，截面旋转特征，也可以是一个大体素特征，例如一个大的圆柱特征或者一个大的块特征等。有时在一个特征集中基特征并不是唯一的。
一个复杂零件一般是由若干个特征集组成的，对壳体零件，特征集的划分一般要结合零件的构造特点与零件的工作功能机理， 特征集的划分不是唯一的，它与零件的具体结构有关。在特征集的划分时一般以选择壳体零件上一些主要特征为基础，把周围相关的特征分为一个特征集，可以把为实现一个局部功能的相关特征分为一个特征集，具体操作时，以壳体零件与其它零件的大接触面为基础，从接触面出发，找出该面所属的特征，然后找出能通过该特征进行定位的相关特征，这些特征即可以划分为一个特征集。如图1 所示的壳体零件可以分为以下6个特征集：特征集A，特征集B，特征集C，特征集D，特征集E 和壳体中间的孔特征集F(图中无法标出)，通过特征集的划分，可以把一个复杂的壳体零件分为几个相关的特征集，然后分析每个特征集是如何组成的，如何创建他们，以及各个特征集之间的相互关系，在此基础上确定特征集生成的先后顺序和相互引用的关系，画出特征集之间的相互关系图，这样可以大大简化零件模型的特征表示，同时也是后期的特征分解的基础。
图1 壳体零件
3.2 特征分解
复杂壳体类零件的建模过程不是唯一的，要想得到正确的建模策略，以尽可能少的特征和步骤，花尽可能少的时间得到占用内存尽可能小的三维模型，必须进行特征分解[3，4]，然后根据特征分解的结果，进行建模过程优化。
特征分解是将一个零件分解为一个个具体特征的细化过程，是对复杂设计特征（或功能特征）进行体素分解，将复杂的设计特征分解为简单的设计特征，例如草图拉伸特征，孔、倒角特征以及圆柱、方块、圆锥等体素特征，以便进行基于特征的建模。特征分解得到的体素应满足以下条件：1）分解后的体素具有几何意义和工程意义；2）分解后的体素具有还原性，其布尔运算形成的特征应能还原成被分解的特征。
要进行特征分解，一般首先要进行零件的特征简化。特征简化是按一定的顺序忽略次要特征，保留主要特征的过程，如图2 所示，a 中的零件经过倒角简化得到b，再经过圆孔简化得到c，特征简化的目的是找出复杂零件或者特征集中的主要特征和特征的构造顺序及依附关系，为特征分解做准备。
图2 特征简化示意图
特征简化的一般策略为：
1. 成型特征的简化，指零件的螺纹，倒角，到圆的简化；
2. 阵列特征，对称特征的简化；阵列(对称)特征的简化是在阵列(对称)的多个特征中，只保留其中一个特征，而忽略其它几个结构相同的特征.
3. 小特征的简化，包括键槽，油管，各种孔，各种小凸台以及板筋的简化；
4. 相关联特征的简化，根据零件结构划分零件的特征集，并对每个特征集内剩余的特征进行简化，使每个特征集保留一个或尽可能少的，可以定位该特征集的特征，即特征集的基特征；
5. 特征集间的特征简化，经过前面的步骤，零件的每个特征集只剩下一个基特征了，根据零件结构，找出能定位这些基特征零件的主要特征，也就是确定出能定位整个零件的特征集；
在特征简化过程中，每一步的任务是从外向内，把可以通过其它特征定位的特征简化掉，特征分解就是对零件特征的一步步向下细化，是特征简化的逆过程，特征分解的结果是得到零件的一棵特征树，如图1 所示零件经过特征分解得到如图3 所示的特征树。
图3 零件特征分解树
3.3 基准体系分析
基准是定位和约束特征的要素，是构造特征的基础。基准的改变会导致相应特征对象的位置、形状以及几何模型对象的几何关系、拓扑关系、约束关系的改变。壳体类零件特征复杂繁多，每个特征都有其对应和依赖的基准，这些基准的集合构成了零件的基准体系，是建立零件几何模型的基本参考框架。
基准一般包括，基准点、基准轴、基准平面、基准坐标系、基准曲线和基准曲面等。我们把由绝对坐标系产生的基准面（XOY 面，XOZ 面，YOZ 面），基准轴（X 轴，Y 轴，Z 轴）和基准点（0，0，0）称为绝对基准，把由绝对基准或者实体特征为基础产生的基准叫派生基准。基准有2 种方式产生，一是由已知基准经平移或者旋转产生；一种方法是通过已存在的实体模型来产生。
由于特征间的约束关系体现在基准之间的约束中，特征之间的参数化也可以通过这些特征的基准之间的约束关系求解来实现[5]。本文针对复杂壳体类零件，在建模中采用了参数化基准体系，即整个零件的基准体系是参数化的，它随着用户对基准和几何模型的修改而改变，基准的改变也会引起依附于它的模型的改变，这为零件的参数化提供了方便。
由于相对坐标系产生的基准，无法参数化表示，所以在壳体零件基准体系的分析时，一般选用绝对基准为最初的基准，在零件建模过程中，通过对绝对基准的旋转，平移等操作产生出新的派生基准，或者在已产生的实体上建立新的基准，以完成特征的定位与尺寸约束。通过基准体系的分析，我们可以分析每个特征建模的可行性及建模方法，这保证了建模过程的顺利进行。
在复杂零件的实体建模时，如何恰当地构建出零件的基准体系，是个还待解决的问题，它对顺利完成零件的实体建模具有重要意义。
如图4 所示零件，在建模时选用绝对坐标系的基准面D1、D2、D3 和基准轴Z1 为零件初始基准，可建立底座特征集，然后根据特征分解树中特征集间的关系，即可参数化创建出各个特征集的主要基准，例如中部(特征集B)的基准面D7,上盖接头的基准面D4，右通道的基准D5, 左通道可以通过右通道阵列得到,壳体零件的孔道特征集可以采用D3 或者D4 为基准面，特征集的基准确定后,然后对各个特征集中的每个特征都进行基准分析，使得所有特征的创建具有可行性，在分析一个特征时，可以用所有的已知基准来定位或者约束，当出现某个特征在已有基准的基础上无法创建时，可以根据需要，通过对已有基准的旋转，平移等操作产生出新的基准，例如在创建图1 中特征19所在的筋板及其上的窥视孔时，可以由D1 基准面绕Z1 轴旋转所需角度生成D6 基准面，来作为该筋板及其上的圆柱的基准。
图4 零件的基准体系图
不论零件多么复杂，当对特征分解树中的所有特征进行基准分析后，我们就完成了整个零件建模的框架分析，论证了该零件建模的可行性。
3.4 三维实体造型
基准体系分析中，对每个特征的创建进行了可行性论证，在零件的实体建模阶段，先对零件中的特征集进行分析，选出能定位整个零件的特征集，用绝对坐标系的基准来定位该特征集，完成该特征集中基本特征的造型，再在已有实体的基础上，根据特征分解树，分别建立其它特征集的定位基准，并完成各个特征集中基特征的建模。
生成一个特征的方法有多种。例如阶梯轴特征，可以用草图旋转方法得到，即先画出特征的轮廓草图，再让其绕轴线旋转一周生成，也可用分段拉伸法得到，还可以用逐层生成圆凸台实现。对复杂特征集，一般画出不同的草图，进行拉伸、旋转得到相应的特征实体，再通过布尔操作完成复杂特征的三维建模。特征的建模方法一般可以归纳为以下几种：
1. 由基本体素产生标准几何体特征(方块/圆柱/圆管/圆锥和球等特征)；
2. 由满足约束条件的截面轮廓二维草图经过拉伸/旋转生成三维特征；
3. 沿路径配置的二维几何图形经扫描/蒙掠生成曲面实体特征；
4. 结合以上三种方法，利用三维实体特征间的布尔运算(交/并/差)生成新的实体。
在实际建模过程中，简单特征可能通过以上任一种方法就可以完成，但对复杂特征，一般需要以上几种方法的结合才能完成，对零件中的部分特征，在建模时还需要根据设计变量的合理性及参数化修改方便等方面因素选定合理的建模方法。
建模中参数的约束有两种形式，一是几何约束，包括相互平行、相互垂直，相互同心，相互共线和等长等，几何约束是确定要素之间的几何关系，这种约束关系（具有参数化性），在后面的设计中是保持不变的；一种是尺寸约束，包括长、宽、高、角度、半径，距离等。这种约束是确定要素之间的尺寸大小和相对距离。
创建其它附加特征：包含可叠加在基本特征中或从基本特征中剪切下来的附加特征，如孔、螺纹、倒角、圆角、退刀槽等局部特征和加强筋。
以上是本文通过对航空发动机复杂壳体类零件建模研究，提出的一套分析与参数化建模方法，这种方法能在UG，Catia 等CAD 平台上推广应用，作者结合“十五”攻关课题----某型航空发动机电子样机的建立，在UG18.0 平台上，应用以上建模方法，顺利的建立了航空发动机中若干复杂壳体零件的三维模型。
为了建立规范的三维参数化模型，或提高建模效率,实体建模中应该注意以下问题：
1. 对零件或者复杂特征，要充分考虑几何形状和结构特点，力求用较少的节点和基本特征完成建模；
2. 对复杂特征，能用草图拉伸、旋转得到的，采用草图的方法生成，同时保证草图的合理约束；
3. 在选择基准的时候，要考虑生成模具，以及模具的加工工艺和可加工性；
4. 数据的分隔，为了便于显示和修改, 造型中充分利用CAD 平台提供的层功能(UG 平台为例)，进行层的管理与应用,如1—20 层存放特征实体，21—40 层存放草图,41-60 层存放曲线、曲面，61－80 层存放数据平面、数据轴等，不同的草图放在不同的层，不同特征集的实体放不同的层；
5. 一个特征集内在一个方向的所有特征，尽可能共用一个基准约束；
6. 进行特征定位时，尽量采用面取代边，作为几何特征的定位基准[6]；
7. 在草图的绘制过程中，不考虑倒角和倒圆，这样即有利于草图的建立、约束，也有利于零件的参数化设计；
8. 所有基本特征建模完成后，再进行成型特征的建模；
9. 在建模中,对斜孔，建议通过基准面，用打孔操作，不要使用圆柱体素生成一个圆柱,然后用布尔减操作,这样的模型可修改性差；
4.结束语
零件的三维建模是进行电子样机研究的基础，本文针对航空发动机电子样机中壳体零件结构复杂的特点，提出了一套复杂壳体类零件的建模基本方法，通过对壳体零件进行结构分析，特征分解，和基准体系的分析，论证了复杂壳体零件的建模过程，结合零件的建模方法，实现了基于特征的复杂壳体零件的全参数化建模。
参考文献：
[1] 杨运平, 周儒荣. 特征设计的定位约束参数化技术. 航空学报. 1997,18(1):50~56
[2] 罗云华 王义林等.汽化模具的三维造型与数控加工. 模具技术 2000,4:83~88
[3] 李克天 何汉武等. 箱体零件特征映射及信息集成. 制造业自动化 2001.(1):
[4] 李书田 郑联语 汪叔淳. 集成环境中基于特征顺序的产品建模方法研究. 计算机辅助设计与图形学学报 1999.11(5):420~425
[5] 杨鑫华 姜来金. 基于参数化特征造型的三维冲裁模标准件库的建立. 模具工业 2001,总245(7):10~13
[6] 刘雄伟 郑海波等.参数化特征造型中拓扑结构变异的一种解决方法. 计算机辅助设计与图形学学报 2001.13(3):267-270(end)
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(1/25/2005) |
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