0 引言

艦載機(jī)是航空母艦最主要的武器，其性能的好壞直接體現(xiàn)了航母的戰(zhàn)斗力。隨著我國(guó)第一艘航母——遼寧艦的下水，艦載機(jī)的研制任務(wù)也變得更加迫切。本文以此為背景，開展了某型號(hào)艦載機(jī)機(jī)翼骨架仿真模型的快速建模技術(shù)研究。

仿真是復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)研制必須的手段，所謂計(jì)算機(jī)仿真，一般是通過(guò)建立逼真的仿真模型來(lái)模擬真實(shí)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的過(guò)程，再進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)來(lái)研究設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。傳統(tǒng)仿真軟件很難勝任機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的三維建模工作，因此，對(duì)一些零部件，如翼肋、翼梁、懸掛接頭等采用CAD系統(tǒng)建模的方法會(huì)比較便捷，但這種建模工作中會(huì)存在一些影響仿真效果或工作效率的因素。首先，不同操作者在手動(dòng)建立三維模型過(guò)程中的表示方法、設(shè)計(jì)模式、參照標(biāo)準(zhǔn)往往會(huì)因個(gè)人知識(shí)背景或其他眾多不確定因素而導(dǎo)致數(shù)據(jù)模型有所差別，即模型的質(zhì)量不能得到很好的保證，所以在向仿真分析系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入CAD模型的時(shí)候常會(huì)存在圖元丟失、不易劃分網(wǎng)格等問(wèn)題；其次，機(jī)翼的打樣設(shè)計(jì)階段是一個(gè)伴隨有計(jì)算和分析、修改和優(yōu)化的循環(huán)迭代過(guò)程，需要建立大量的仿真模型作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。所以通過(guò)CAD系統(tǒng)手動(dòng)建模的方法工作量繁重，耗費(fèi)了設(shè)計(jì)人員寶貴的時(shí)間與精力。

本文以CATIAV5設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，利用CAA作為二次開發(fā)工具，通過(guò)特征拼接的方法并結(jié)合有關(guān)的API函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼典型件模型的快速建模，為進(jìn)一步的仿真計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

1 艦載機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析

機(jī)翼作為一種復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)，通常由展向（翼展方向）骨架，如：翼梁、長(zhǎng)桁、前后墻和弦向（橫向）骨架，如：普通翼肋、加強(qiáng)翼肋以及表面蒙皮等共同組成，如圖1所示，下面就針對(duì)幾種典型的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析。

圖1 機(jī)翼結(jié)構(gòu)

翼梁：是機(jī)翼在翼展方向最主要的受力單元，其根部通過(guò)對(duì)接接頭與機(jī)身固定。翼梁一般由腹板、上下緣條以及對(duì)接帶板組成，為保證梁的穩(wěn)定性通常在其腹板兩側(cè)沿縱向布有加強(qiáng)立筋。

長(zhǎng)桁：用于翼肋與蒙皮之間的連接，同時(shí)具有一定支撐作用，其各段剖面形狀基本相同，可以分為開截面桁條和閉截面桁條。為貼合壁板內(nèi)表面同時(shí)方便連接，長(zhǎng)桁通常在中段添加下陷，在末端加工出梯度連接端。

前后墻：也統(tǒng)稱為縱墻，與蒙皮相連接，多布置在機(jī)翼的前后邊緣處，其根部通過(guò)鉸鏈與機(jī)身固定。縱墻結(jié)構(gòu)與翼梁相似，但其緣條較弱，腹板上也沒(méi)有減輕孔。

翼肋：外形和機(jī)翼輪廓大致吻合，可分為普通翼肋和加強(qiáng)翼肋，前者用于維持機(jī)翼的整體形狀，后者的作用則是將副翼和起落架等傳來(lái)的集中力分散傳遞給翼梁、縱墻和蒙皮等構(gòu)件。翼肋的結(jié)構(gòu)要素主要包括：腹板（網(wǎng)）、翻邊（表面肋）、長(zhǎng)桁缺口（切口）以及彎邊減輕孔（肋孔）等特征。

2 機(jī)翼零件的參數(shù)化建模

實(shí)現(xiàn)機(jī)翼仿真模型自動(dòng)建立的實(shí)質(zhì)是通過(guò)編程控制，使建模者的數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)則傳遞到CATIA V5系統(tǒng)，這需要訪問(wèn)軟件系統(tǒng)的內(nèi)部資源和數(shù)據(jù)，而利用CATIA V5的二次開發(fā)工具CAA能夠很好地實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。CAA是法國(guó)達(dá)索公司為CATIA系統(tǒng)提供的組件應(yīng)用架構(gòu)，有著豐富的命令函數(shù)，它是基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，通過(guò)搭建對(duì)象模型和對(duì)象連接，結(jié)合嵌入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)CATIA二次開發(fā)的。

在確定零件參數(shù)和建模基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，使用程序驅(qū)動(dòng)法編寫的機(jī)翼零件的快速建模程序可與CATIA建模軟件連接后編譯運(yùn)行。該方法通過(guò)與用戶的交互完成設(shè)計(jì)工作，集成度高，能把設(shè)計(jì)中的參數(shù)關(guān)系、幾何約束和工程約束關(guān)系直接賦予程序中。這樣可以很大程度上方便機(jī)翼零件的快速設(shè)計(jì)，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

以機(jī)翼內(nèi)應(yīng)用最廣的翼肋件為例，將其主要幾何參數(shù)概括為：上下兩緣條分別距離上下翼面的偏置量m1和m2、兩側(cè)端頭的偏置量m3和m4、上下兩緣條的寬度Bl和B2兩側(cè)端頭的寬度B3和B4以及豁口的長(zhǎng)度與深度即M和N等，如圖2所示。

圖2 翼肋參數(shù)

同時(shí)結(jié)合翼梁的自身形狀及其在機(jī)翼中的位置，將翼肋的建模基準(zhǔn)概括為：梁軸線、上翼面、下翼面、肋軸線、端頭軸線和機(jī)翼弦平面等，如下頁(yè)圖3所示。

圖3 翼肋建模基準(zhǔn)

在此基礎(chǔ)上可將該仿真模型的自動(dòng)建模原理總結(jié)如下，如圖4所示。

圖4 建模原理圖

(1)通過(guò)交互式界面得到零件參數(shù)及建模基準(zhǔn)；

(2)利用CATIA命令函數(shù)將規(guī)范化的建模流程封裝在對(duì)應(yīng)的模板內(nèi)；

(3)調(diào)用模板，通過(guò)特征拼接，自動(dòng)建立仿真模型。

3 機(jī)翼零件建模模板

3.1 模板的設(shè)計(jì)

模板是一組針對(duì)某類型零件預(yù)先編寫好的程序代碼，它可以模擬仿真模型在創(chuàng)建過(guò)程中的人機(jī)交互操作。所以在進(jìn)行某類仿真模型建模時(shí)通過(guò)調(diào)用匹配的模板，結(jié)合要求做適當(dāng)?shù)脑O(shè)定即可通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)快速得到理想的三維模型。

艦載機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)由翼梁和翼肋等主要元件及多種接頭、角鋼等次要原件組成。因此，可將仿真建模的對(duì)象劃分為：普通機(jī)加件、鈑金件、結(jié)構(gòu)機(jī)加件、型材和典型特征等5類零件。通過(guò)對(duì)CATIA二次開發(fā)定制出機(jī)翼典型零部件的參數(shù)化建模模板庫(kù)菜單，如圖5所示。

圖5 模板庫(kù)菜單

機(jī)翼仿真模型的快速建模模板包括：零件模板的選擇模塊（如圖6、建模基準(zhǔn)的拾取模塊（如圖7）和模型參數(shù)的輸入模塊（如圖8），它們可引導(dǎo)操作者為零件的快速建模做正確的輸入以便后臺(tái)程序的順利驅(qū)動(dòng)。

圖6 零件模板的選擇界面

圖7 建模基準(zhǔn)選擇界面

圖8 參數(shù)輸入界面

模板具體設(shè)計(jì)過(guò)程通常參考設(shè)計(jì)者手動(dòng)建模時(shí)的操作順序進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)以翼肋為例說(shuō)明其模板的設(shè)計(jì)過(guò)程：

（1）定義鼠標(biāo)拾取動(dòng)作并拾取構(gòu)件要素；

（2）判斷基準(zhǔn)元素的選取順序及數(shù)量是否有誤；

（3）插入幾何圖形集，用于放置建模過(guò)程中產(chǎn)生的用于參考的點(diǎn)、線、面等幾何元素；

（4）創(chuàng)建翼肋的通用毛坯基體，具體包括創(chuàng)建定位草圖、繪制并約束草圖、拉伸凸臺(tái)、判斷設(shè)計(jì)者選擇翻邊的類型等過(guò)程；

（5）創(chuàng)建翻邊、減輕孔、切口等特征。

3.2 模板的程序封裝

通過(guò)CAA編程實(shí)現(xiàn)仿真模型的建立。首先需要結(jié)合有關(guān)的航空標(biāo)準(zhǔn)及后續(xù)分析仿真步驟的要求來(lái)分析該模型在CATIA中的建立步驟；再將建模步驟細(xì)分成若干節(jié)點(diǎn)，如定位草圖SeAxisData（）、繪制圖元CreateLine（）、約束草圖CreateConstraint（）、創(chuàng)建特征C reatePad（）和布爾運(yùn)算CreateAdd（）等，通過(guò)CATIA的各API接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能節(jié)點(diǎn)；最后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模的目標(biāo)。通過(guò)模板實(shí)現(xiàn)仿真模型自動(dòng)建立的過(guò)程可以概括如下：

（1）在CATIA V5中打開整個(gè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的仿真模型；

（2）為待建立的仿真模型選取最為匹配的設(shè)計(jì)模板；

（3）定義仿真模型的構(gòu)型、建模基準(zhǔn)及其在機(jī)翼布置處的定位基準(zhǔn)；

（4）輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳遞給CATIA系統(tǒng)，完成整個(gè)仿真模型的建立。

4 仿真模型的快速建模實(shí)例

鈑金類零件在機(jī)翼中的應(yīng)用最為廣泛，且往往具有厚度小、曲面多、形狀復(fù)雜、精度高和特征附帶約束繁多等特點(diǎn)，現(xiàn)以鈑金翼肋的仿真模型為典型實(shí)例，通過(guò)特征的有序疊加說(shuō)明其快速建模的過(guò)程。

（1）通過(guò)調(diào)用CAA航空鈑金模塊的接口函數(shù)，首先將按需求自動(dòng)設(shè)定鈑金參數(shù)，進(jìn)而繪制腹板草圖，如圖9所示。

圖9 翼肋草圖輪廓

在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)用接口函數(shù)，進(jìn)一步創(chuàng)建網(wǎng)和翻邊特征，得到三側(cè)翻邊鈑金肋基體，如圖10所示。

圖10 翼肋基體

（2）利用圖10箭頭指示的幾何元素作為下一個(gè)待拼接特征的建模基準(zhǔn)，進(jìn)一步創(chuàng)建長(zhǎng)桁切口和彎邊減輕孔特征，如圖11所示。通過(guò)觀察圖中左側(cè)CATIA特征樹上的建模過(guò)程及零件幾何體內(nèi)的特征組成可以看出，使用這種自動(dòng)建模方法得到的仿真模型具有高度的設(shè)計(jì)一致性。

圖11 特征拼接

圖12中是處在設(shè)計(jì)過(guò)程中機(jī)翼的部分結(jié)構(gòu)，可見翼肋等零件在整個(gè)骨架內(nèi)布置眾多，通過(guò)上述機(jī)翼仿真模型的自動(dòng)建模技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)大量翼肋類零件的快速建模及布置工作，自動(dòng)建模技術(shù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真提供了有力的保障。

圖12 機(jī)翼部分結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

在艦載機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)CATIA的二次開發(fā)建立了各類典型機(jī)翼零件的仿真模型自動(dòng)建模模板。模板將建模流程進(jìn)行了固化和封裝，有效地解決了仿真模型的統(tǒng)一性建模、重復(fù)性建模等問(wèn)題。

實(shí)例表明，該建模方法能夠穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)三維模型的快速建立，對(duì)機(jī)翼乃至整機(jī)系統(tǒng)的后續(xù)仿真研究有著積極意義。