基于UG的燃气轮机管路元件库的开发技术研究

张志刚， 赵 罡

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

在产品开发过程中标准件的使用率约占零件总数的60%[1]，因此标准件库系统的开发和应用对提高产品的设计效率至关重要。标准件库系统的研究与开发可追溯到早期的二维CAD平台，如基于AutoCAD平台的标准件库系统。随着参数化特征造型技术日渐成熟，标准件库系统中涉及的尺寸驱动这一关键技术被妥善解决，应用于各三维参数化特征造型平台之上的CAD系统也随之大量出现。

外部管路系统是燃气轮机最重要的组成部分之一，直接影响到燃气轮机的可靠性和安全性。在燃气轮机的管路系统中存在大量的标准件，包括管接头、外套螺母、堵头、卡箍、转接段等，通常称之为管路元件。这些元件均是航空专用零件，其几何拓扑结构一般相同或相似，仅尺寸规格有差异。在实际的管路敷设过程中，常需大量使用此类管路元件，而工程设计人员也因为尺寸的不同而不得不对同类的管路元件进行重复设计，这不仅耗费了设计人员大量的时间和精力，而且导致产品数据库过大，不易管理。通过建立管路元件的标准件库，不仅可以解除繁琐的重复绘制工作，提高设计效率，还能保证标准件的绘制精度，同时有利于后续的维护工作。

关于三维管路的计算机辅助敷设技术研究，国内已有一定基础[2-3]。陈志英等在航空发动机管路智能敷设方面做了较深入的研究和探索[2]；付宜利等研究了石油管路空间位置规划、路径自动搜索及路径修改等管路敷设关键技术[3]。本文在这些研究工作的基础上，对种类繁多的燃气轮机管路零件进行分类归纳，开发了一个简单易用的零件库系统，为后续的管路敷设奠定了良好的基础。

本文介绍基于UG平台的燃气轮机管路元件库开发是基于工程需要。文中第一节介绍了 UG平台提供的二次开发接口；第二节给出了管路元件库系统的体系结构；第三、四节介绍了数据层和用户层的开发细节；最后给出了实例和结论。

1 UG软件的二次开发工具

UG/Open是一系列UG开发工具的总称，是UG软件为用户或第三方开发人员提供的最主要的开发工具。UG/Open开发工具主要包括UG/Open API、UG/Open GRIP、UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler等模块，这几个模块的开发方法和适用范围如表1所示。

开发燃气轮机管路元件库需要使用数据库存储数据，涉及到数据库编程，因此本文选择的开发工具是UG/Open API，开发平台为Visual C++6.0。在开发过程中还使用到了一些MFC类库，因为这样可以方便地实现复杂的数据结构，灵活简洁地进行字符串相关操作，设计出更加丰富美观的界面，同时也能很容易实现与数据库的相关操作。

表1 UG/Open开发工具比较

2 管路元件库系统的体系结构

管路元件库系统主要由两层结构组成：数据层和用户层。数据层主要用来存储管路零件的尺寸信息，为用户层提供数据支持；用户层主要用来从数据库中读取管路零件尺寸、添加新尺寸到数据库中、删除数据库中的尺寸信息和管路零件的参数化建模，如图1所示。

数据层的设计工作主要在于零件族的划分和特征参数的提取，为每类零件族设计一个数据表，并以特征参数为数据表的列字段存储。用户层的开发首先是建立在CAD系统基础上的，利用开发接口，开发出用户界面，实现与数据库的操作和管路零件模型的生成。

3 数据层的开发

3.1 零件数据库的组织形式

零件库的主要对象是零件模型，零件模型可以由零件编号、名称、尺寸参数等特性来描述。零件库由多个零件族组成，每个零件族由样板模型和一系列尺寸参数组成，它可以通过零件名称、编号、特征参数值来索引。因此，整个零件库是一种树状的层次关系，如图2所示。

图2 零件库的组织形式

3.2 零件族划分的原则

零件的特征包括结构、材料与工艺3个方面，本文只研究零件的结构。零件结构相似包括形状相似、尺寸相似和精度相似。形状相似是指零件所具有的形状要素如平面、外圆、孔、螺纹、锥体、健槽、齿型等及其在零件上的布置形式相似；尺寸相似是指零件之间相对应尺寸相似；精度相似是指零件相对应表面之间精度要求的相似。零件的相似性是零件分类的依据，籍此划分零件族。零件族的划分原则如下：

（1）零件的几何形状相似，即零件的特征相似，尤其是外特征，特征的位置、尺寸不重要，但相似特征应具备，例如外环槽、锥体、孔、及球面等。

（2）同轴的外圆特征数量的多少一般视为相似，并且外环槽、锥体及球面等特征位于零件的端部时，则该零件族的上述特征都应位于零件的端部。

（3）同轴的孔特征可视为一族。

（4）圆面上均匀分布的孔特征，不管数量多少视为一族。

当零件族确定后，需要指出的是凭经验划分的零件族，并不一定能全部在UG平台上实现，例如：在划分的零件族中，某一零件有孔特征，而另一零件没有孔特征，则此零件族不能完全涵盖这两种零件，须重新划分。由于基于特征建模的CAD软件，不支持特征参数为零的特征，此例中孔的直径或深度为零，即违反特征参数不能为零的规则。

3.3 提取零件的主特征参数

特征参数的提取与零件的相似程度有密切关系。当零件的几何拓扑关系一致，而很多尺寸值不相同时，需要提取的特征参数较多，此时建立的零件库开放性较好。在工程实际中，一个零件族只有少数几个特征参数不同的情况居多，此时开发零件库较容易。

因同一特征在不同设计平台或同一设计平台下，用不同构造方法的特征表达不一样，所以在提取参数时，需注意三点。第一，使三维设计平台下的特征参数的表达与工程实际中的表达协调一致。第二，提取参数时还应寻找零件的特征表达参数之间的关系，以减少参数个数，以便使数据库存储有最小冗余。以简单螺母为例，除螺母的高度、孔径外，仅正六边形在三维设计平台下，需9个参数方可满足全部约束，而工程实际中正六边形仅需2个参数表达。值得注意的是：虽然通用CAD软件中，正多边形仅需内切圆和边数两个参数即可确定，但参数化设计中用到的正多边形需用边、角信息表达，故正六边形需9个参数。需要根据几何关系找出参数间的依赖关系，籍此可以将9个参数，简化为2个独立的参数，并与国标协调一致，如图3所示。第三，提取参数过程中应当考虑所提取的参数，关于模板零件是否构成过约束或欠约束，提取参数后及时验证，就可检验提取的参数是否正确。

3.4 建立样板模型

根据前述划分零件族的思路，将所有的管路零件分为若干个零件族，再为每个零件族提取特征参数。选取零件族中最复杂的一个零件作为模板零件，以零件族的特征参数作为尺寸约束，采用参数化建模的方法为该类零件族建立一个样板模型。需要说明的是，该样板模型其实也只是一个普通的UG零件模型，只是它采用参数化尺寸驱动，并且该样板模型的尺寸标注一定要是全约束的，不能欠约束也不能过约束。零件模型建立完成后，需要修改参数表达式的名称，将系统给定的默认表达式名称更改为有实际意义、易于区分的表达式名称。这样就完成了一类零件族的样板模型，可以按照同样的方法为每一类零件族建立样板模型。

图3 特征参数简化

4 用户层的开发

4.1 数据库操作模块

数据库操作模块主要负责实现应用程序与零件尺寸数据源之间的各种操作，为管路元件库系统提供数据支持。本文选择ADO方式连接数据库，这种连接方式速度快、占用内存低、实现简单。本模块的功能包括数据库的连接、数据库信息的查询、数据库信息的添加和数据库信息的删除等。采用ADO与VC++编程开发，利用ADO提供的功能强大的智能指针，只需编写合适的 SQL语句就能实现对数据库的各种操作。

4.2 用户界面模块

开发用户界面有两种可选的方式：UG软件自带的界面编辑器和 VC++的 MFC类库。第一种方式实现的用户界面更符合UG软件的风格，但是实现较复杂，界面提供的消息响应方式也不太完善；第二种方式采用 VC++的MFC类库，可以设计非常复杂的界面，编程也比较简单，更重要的是MFC类库可以方便地实现复杂的数据结构。本文选择使用MFC类库编写用户界面。

用户操作界面主要由零件参数化设计对话框和数据库操作对话框组成，还有一些常见的MFC控件，如按钮、静态文本框、编辑框、列表框和组合框等。用户进行零件设计时，可以直接输入零件的参数值，快速生成零件的三维模型；也可以从数据库中选择尺寸值，重新编辑零件的参数表达式，更新零件模型，操作流程如图4所示。从数据库中读取数据时，用户可以查询零件尺寸数据，可以删除零件尺寸数据，还可以添加新的零件尺寸数据；如果需要扩充零件库，只需向数据库中添加新的零件尺寸数据即可。

图4 零件库操作流程图

4.3 CAD系统接口模块

UG软件提供了多种开发工具，本文选择的开发工具是 UG/Open API。使用 UG/Open API编写的应用程序可以在两种不同的环境下运行：内部环境和外部环境，这两种环境又分别被称为内部模式和外部模式。内部模式的应用程序具有文件小、连接块的特点，另外，使用内部模式的应用程序还可以通过UG的交互界面获取和创建模型，创建和编辑表达式，通过图形窗口查看程序的运行结果。函数ufusr()和ufsta()是内部模式应用程序标准的入口函数。这里选择使用ufsta()函数作为入口函数，它可以在UG程序启动后自动被加载。ufsta()入口函数有固定的编写模式：首先需要初始化UG环境，然后调用用户开发的程序，最后需要释放UG环境。作者开发的应用程序经过编译链接之后生成动态链接库文件，UG软件可以自动加载和执行。

5 实 例

本文完成了八类管路零件库的开发，包括管路零件的参数化建模，数据库表的设计，用户界面开发和零件模型更新等。用户使用此零件库，通过输入零件参数，或从数据库中导入已存在的零件参数，可以快速生成新尺寸的零件模型。

图5给出一个使用此零件库快速生成系列零件的例子。

图5 管接头零件系列

6 结 论

本文开发的管路元件库系统采用了参数化设计技术，通过系统与标准数据库相连接，实现标准数据自动选择和查询，以及与UG环境无缝连接，使得用户调用标准零件更加方便。系统设计的开放式标准库结构，方便用户修改与扩充。采用特征参数化驱动的方法，减少了建库的工作量。元件库的开发也是对成组技术和敏捷制造中的变形设计做了一次有益的探索，对自动化或系列化生产的机械制造企业，建立自己的产品设计数据库，具有重要的指导意义。

当然，本文开发的管路元件库系统也存在一些不足之处，例如当新增一类管路零件时，需要为新增的管路零件编写额外的代码。本文后续的工作包括：一是改善管路元件库的扩展性；二是将此管路元件库系统与管路敷设系统相集成，使它们更好的发挥作用。

[1]陈志英, 张向强. 基于UG零件库的建立[J]. 机械设计, 2001, (8): 49-51.

[2]陈志英, 唐文哲. 管路系统计算机辅助设计方法研究[J]. 航空动力学报, 2001, 16(2): 183-185.

[3]付宜利, 李 荣, 封海波, 等. 三维管路铺设技术研究与系统开发[J]. 计算机集成制造系统, 2006,12(10): 1556-1560.

[4]张向强, 陈志英. 基于 UGⅡ的管路三维元件库的建立[J]. 航空发动机, 2000, (4): 29-32.

[5]Yingguang Lia, Yong Lub, Wenhe Liaoa.Representation and share of part feature information in web-based parts library [J]. Expert Systems with Applications, 2006, 31(4): 697-704.

[6]Joonmyun Cho, Soonhung Han, Hyun Kim.Meta-ontology for automated information integration of parts libraries [J]. Computer-Aided Design, 2006,38(7): 713-725.