基于特征的航空钣金零件快速设计方法研究与应用

张石磊,刘俊堂

（中航工业第一飞机设计研究院，西安 710089）

张石磊

工程师,主要从事CAD/PDM方面的研究。

技术分析

CATIA航空钣金模块[1]提供了标准文件输入接口可以实现部分特征的规范化建模；CATIA知识工程模块[2-3]适用于部分相对简单的特征；使用CATIA二次开发[4-5]可以实现所有的特征的快速设计，但二次开发所有特征费时费力，难度大。因此，本文结合CATIA二次开发、知识工程和航空钣金模块提供的标准文件输入接口等3种方法，实现了航空钣金零件的快速规范化建模和最优化设计。基于特征的航空钣金零件快速设计系统实现了图1中所有特征的快速规范化建模和最优化设计。

系统架构

根据业务需求特点，基于特征的航空钣金零件快速设计系统架构包括数据层、功能层、业务层和用例层，如图2所示。

（1）用例层：根据不同的类型建立的实例化模型；

（2）业务层：根据项目需求，对航空钣金零件设计过程进行分析，划分出业务模块；

（3）功能层：按照业务模块，分解出功能点，以此为单元完成软件开发；

（4）数据层：围绕业务和功能需求组织数据，支撑功能层对各类数据的查询与互操作，驱动航空钣金零件规范化建模，包括标准规范库和征模板库等数据库。

解决思路

首先，基于特征的航空钣金零件快速设计根据不同的钣金特征选择不同的实现方法：（1）对于下陷和缺口特征，使用CATIA二次开发实现；（2）对于HB 0-11-2003加强槽中的2型加强槽、HB 0-14-2003弯边减轻孔与HB 0-16-2003直角减轻孔等特征，使用CATIA知识工程实现；（3）对于HB 0-10-2003板材最小弯曲半径、HB 0-11-2003加强槽中的1型加强槽和3型加强槽、HB 0-12-1983金属结构减轻孔、HB 0-13-2003加强窝、HB 0-15-2003 60°弯边减轻孔等特征，使用CATIA航空钣金模块提供的标准文件输入接口实现。

图1 航空钣金特征Fig.1 Aircraft sheet metal features

其次，针对每一种航空钣金特征，根据《中华人民共和国航空行业标准》，将特征的相关标准数据录入数据库表格中，建立标准规范库；然后在系统中根据数据库主键选择标准；最后，选择参考元素即可实现标准钣金特征的生成。

最后，在三类功能分别实现之后，采用CATIA二次开发方法将其调用并集成在基于特征的航空钣金零件快速设计系统工具条中，实现系统集成，如图3所示。

图2 系统架构Fig.2 System architecture

图3 系统集成Fig.3 system integration

关键技术

1 标准文件输入接口

针对HB 0-10-2003板材最小弯曲半径、HB 0-11-2003加强槽中的1型加强槽和3型加强槽、HB 0-12-1983金属结构减轻孔、HB 0-13-2003加强窝、HB 0-15-2003 60°弯边减轻孔等特征，使用CATIA航空钣金设计模块提供额标准文件输入接口实现，可以通过该接口加载表格形式存在的标准参数，从而实现标准钣金特征设计。

标准文件输入接口可以加载的表格分为总表和专项设计表，总表（表1）定义了标准板材在相应厚度下的最小弯曲半径、加强槽、金属结构减轻孔、加强窝和60°弯边减轻孔的设计标准参数，若标准包含多个参数，则采用专项设计表（表2）专门描述，在CATIA航空钣金模块下使用相应钣金特征的命令工具时可以加载专项设计表。

表1 总表定义

表2 专项设计表定义

专项设计表由StandardName和标准参数两部分组成，不同特征需要的标准参数也不同，可在CATIA知识工程模块下查询所需的参数名。

2 知识工程

针对HB 0-11-2003 2型加强槽、HB 0-14-2003弯边减轻孔与HB 0-16-2003直角减轻孔等特征，使用CATIA知识工程模块实现，重点是制作特征模板。

制作特征模板的一般流程如图4所示。需要通过标准特征工程图提炼特征的输入元素，总结该特征的建模流程。然后通过特征建模流程优选原则从多个特征建模流程中优选出最优流程，最后根据该流程制作关联了标准文件的特征模板，这里的特征模板采用CATIA航空钣金模块中的“超级副本”功能实现。

图4 制作特征模板Fig.4 Production feature template

其中，特征建模流程优选原则包括：（1）操作步骤少，易于实现；（2）准确度高，不会出现其他结果，例如：草图中的倒圆角操作，结果可能出现在4个限向；（3）规避方向问题，比如偏移操作，可能出现两个方向的偏移；（4）规避抽壳、倒圆角等实例化过程中子元素难以识别的操作。

最后，将所有特征模板导入Catalog库中，实现特征模板库的构建，如图5所示，使用时只需实例化相应的特征模板即可。

图5 特征模板库Fig.5 Feature template library

3 CATIA二次开发

缺口和下陷特征采用CATIA二次开发方法实现。

缺口和下陷特征主要是在弯边特征的基础上创建的，因此有必要对弯边特征[6-7]进行研究定义。弯边特征定义如下：

式中，m，n，p，q，s，t≥ 1，IBC表示内底角面，OBC表示外底角面，IS表示内侧面，OS表示外侧面，T表示顶面，E表示端面，相应的含义如图6所示。

图6 弯边特征Fig.6 Flanging feature

最后，针对弯边特征，将优化的缺口和下陷特征建模流程固化在软件中，实现缺口和下陷特征的规范化建模和最优化设计。

应用实例

1 标准文件输入接口

以HB 0-13-2003加强窝为例，验证标准文件输入接口的使用。

（1）制作材料为12号硬铝LY12，厚度为2.0mm、3.0mm 和4.0mm的钣金参数设计总表，结果如表3所示；

表3 LY12钣金参数设计总表

（2）根据标准规范文件，分别制作LY12-M-2.0-HB 0-13-2003.xls、LY12-M-3.0-HB 0-13-2003.xls和LY12-M-4.0-HB 0-13-2003.xls三个专项设计表，这里验证只展示LY12-M-2.0-HB 0-13-2003.xls专项设计表，如表4所示；

表4 LY12-M-2.0-HB 0-13-2003.xls专项设计表

（3）在设置钣金总体参数的对话框中单击按钮“Sheet Standards Files”加载总表，如图7所示；

图7 加载总表Fig.7 Load main table

（4）执行加强窝生成命令，单击按钮“Standards Files”，即可加载专项设计表，相应的标准参数自动设置，如图8所示；

图8 加载专项设计表Fig.8 Load special design table

（5）选择参考点和参考面，生成加强窝特征，如图9所示。

图9 加强窝特征生成Fig.9 Create reinforced nest feature

2 知识工程

以HB 0-11-2003 2型加强槽为例，选择参考点、参考平面和参考方向，然后选择相应的标准，系统自动调用2型加强槽特征模板，生成相应的2型加强槽特征，如图10所示。

3 CATIA二次开发

以HB 0-27-83缺口特征为例，选择弯边的内侧面、参考端面和参考平面，然后选择相应的标准，系统自动生成相应的缺口特征，结果如图11所示。

结束语

本文结合CATIA二次开发、知识工程和航空钣金模块提供的标准文件输入接口等3种方法，在总结提炼钣金特征设计知识且建立标准规范库和特征模板库的基础上，构建了基于特征的航空钣金零件快速设计系统，使设计员从原来的选择底层参数转变为直接选择标准，彻底摆脱了大量的设计手册，实现了航空钣金零件的快速规范化建模和最优化设计。基于特征的航空钣金零件快速设计工程应用效果明显，也可推广应用于其他行业，同时也可以对其他类型的结构件建模方法进行总结提炼，形成基于特征的结构件快速建模系统。

图10 加强槽特征生成Fig.10 Create reinforced slot feature

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