catia飞机壁板展开件建模技巧

昵称21424341 2015-01-14

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机翼的设计制造是飞机研制的核心之一，随着整体结构在飞机中的广泛应用，机翼整体壁板型面越来越复杂。整体壁板是由板坯制成的飞机结构承力件，具有若干整体的结构要素（如蒙皮、长桁、筋条等），外表面具有特殊的外形曲面要求。通常都将飞机的机翼翼型曲面展开为平面，再依据展开平面上的飞机梁、桁、肋等重要结构线在CATIA环境下对整个展开壁板进行建模，然后根据展开壁板三维数学模型编制数控加工程序，加工得到机翼展开状态下的平板，最后采用压弯或喷丸成形技术得到最终的机翼整体壁板。

整体壁板的这种成型方法对技术要求较高，除需要有可靠的展开算法外，还需要在展开的机翼曲面及重要结构线上构建展开的数字化模型。本文应用CATIA V5软件对飞机整体壁板展开件进行重新建模，经过实验证明，这种方法是实用有效的。

1 CATIA建模方法

1.1 飞机壁板的展开

壁板展开是已知壁板零件的最终形状，求该零件的毛料形状。CATIA V5中没有复杂壁板的展开功能，本文是通过CATIA V5软件提供的接口对之进行二次开发，实现壁板展开。

1.2 各命令灵活应用

CATIA V5中许多命令都有附加功能选项，灵活运用，有时可以大大提高建模效率。例如壁板的结构特点决定了许多部分的建模都可以应用拉伸pad命令，pad命令使用时除了常见的单向拉伸外，还可以点击More→选项卡，对此命令进行高级设置以期形成多种形式的拉伸实体。在建模中灵活运用可以大大简化建模过程。为了便于区分壁板上的不同结构，可在壁板不同部分设置不同的颜色，在界面上GRAPHIC PROPERTIES工具上直接改即可。

1.3 建立多个实体集与辅助元素集

辅助元素集(OpenBody)为点、线、面的合集，为充分利用CATIA软件曲线曲面模块的强大功能，通常将草图需要用到的外部参考线在三维空间中做出，最后投影到草图中去，再进行生成实体的操作。建模完成之后，可将多余的辅助线面隐藏。实体集(PartBody)为实体命令的合集，可以包含多个实体命令，各个命令共同构造出实体的拓扑关系。

对于壁板这种拓扑结构极其复杂的零件，需要使用上百个实体命令，辅助点线面的数量超过一千个，若将实体命令集中在一个或少数几个实体集与辅助点线面集中，会使单个集合十分庞大，在建模过程中同一个PartBody内的实体命令会互相影响，给后续建模和模型的修改都带来不便。过大的OpenBody也使辅助点线面的检索变得十分困难。所以在建模的过程中，应尽可能将结构上独立的部分放入不同的实体集与点线面集中，在完成各个部分的建模后，应用布尔和命令将各个部分合成为一个统一整体。各个部分实体集与点线面集如图1所示。

1.4 三维建模命名

CATIA建模过程中，在图形界面的右侧会生成特征树，记录建模过程，直观地反映三维数模的几何特征与拓扑关系，数模上的实体以及点线面等元素在特征树上都能找到一一对应的标识。对于壁板这种复杂的零件，具有成百上千个集合元素，建模人员最后自己也很难在特征树上分辨清楚，因此命名显得尤为必要，通常 CATIA会自动为几何图素及实体分配系统默认的名称，通常为：图素类名称，序号，例如line.1，为了容易辨认，一般将名称改为该部分结构的名称。因为壁板结构复杂，通常也很难对所有结构给出通用的命名方法。根据建模的经验，可以应用结构的特征尺寸作为后缀，例如：11肋.300、底板厚.10等，此种区分方法比较有效，容易辨认。另外，做图时，要选择一个元素最好在树里面选择，这样能保证选择正确，特别是在有重叠元素的情况下。若要查询零件特征之间的关联性，可直接在特征上按鼠标右键，从菜单选择[关联对象]，就可以查询到上下层的关联性。

1.5 使用投影命令草图绘制

使用CATIA建立模型时，通常需要首先在草图上绘制出二维的平面图，再利用其他功能将二维平面图构建成三维实体。二维平面图应具有整个图稿的大略轮廓。在壁板建模中，因为实体结构的建立要依据展开轮廓线，所以二维平面图很多轮廓线要以外部的三维空间点线面为基准，常用的手段是使用草图模块中投影命令将之投影进草图，投影进草图的点线为黄色的实体线条，要作为轮廓的参考线，必须使之变成结构点线。方法是选中投影进草图的黄色点线，点击Sketch tools工具条中的Construction/Standard Element命令（图2），则黄色的投影线变为虚线（结构点线）。它只作为构建二维平面图的参考点线，不作为实体命令的轮廓线。在建模过程中，需要频繁在CATIA的实体、曲面工具列之间进行切换，为了便于绘图，最好将其放在一起，可从下拉菜单[工具]→[自订]对话框，切换到[工具列]→[新的]，选取需要加入的工具列。

1.6 草图约束

在草图绘制时，软件只确认其默认约束，没有被约束的线条显示为白色线条，这些未被约束的草绘线条，虽然能生成最后的实体，它们的位置可以被随时拖动，对以后图形修改及改变设计思路都会带来麻烦和重复工作，无形中就会增加工作量，所以最好是将草绘图形一次约束完成，使零件的每一个结构都有它各自的尺寸大小和定位。草图约束可通过Constraint对话框完成。约束过的线条呈现绿色，无法拖动。

2 主要结构建模过程及实例

2.1 建模过程

壁板的数字化模型建立过程中可以针对不同的具体结构拟定不同建模方案，使用不同的实体生成命令，最终达到期望的建模要求。虽然壁板上的具体结构会有不同的建模过程，但是分析特定结构、确定拓扑特征、选定实体命令、优化命令的过程却相似。首先，确定结构的定位基准，确定定位基准后，分析此结构的几何特征，确定具体应用的实体构建命令，通常的结构都是同时包含多种几何特征，很难用一个命令生成所需实体，此时要综合分析实体特征，力求用最少而且相对最简单的命令完成几何实体的构建。命令使用过程需要建立草图，因为CATIA草图模块(Draft)中的对点线面操作的命令相对较少，所以通常是进入曲面设计模块 (General Shape Design)中利用丰富的空间点线面命令构建出草图需要用到的所有辅助点线面，然后转入草图模块(Draft)，将所需曲线用投影(Project 3D Elements)命令投影进草图，剪切构成封闭轮廓，然后再利用Part Design模块中的实体建模命令构建所需实体。

模型建立中尽量将结构相似的部分分为不同的模块，保证模型整体的参数化特征，以便于后续审查与修改。

2.2 实例

下面以飞机长桁来说明模型建立的具体方法。

长桁为机翼壁板沿展向方向的加强结构（结构如图3所示）。立筋（下半部分）厚度在肋处（打孔处）呈阶梯变化，长桁钩（顶部）的高度和厚度始终沿长度方向呈线性变化。虽然都是长桁的构成部分，但实际中不可能将这两部分同时用一种实体命令做出。

长桁中心线为直线，这是它一个最显著的几何特征，所以首先考虑构建实体尽量沿长桁中心线方向，这样可以使用Part Design模块中相对简单的命令（例如拉伸Pad）。避免了使用复杂的扫命令（需要指定特定的中心线）。

长桁立筋的建模首先要建立草图面，理论上可以在任意一个垂直于长桁中心线的平面上画草图，但是基于建模规范性的考虑，通常都建立在长桁的一端。长桁立筋厚度在肋处阶梯变化，拉伸命令无法一次做出截面形状多次变化的实体。所以只能在每两肋之间厚度不变的肋处使用拉伸Pad，所以完成整个长桁立筋必须分段多次使用Pad命令，可将第一次拉伸中的二维图拷贝(Powercopy)一份，然后将其中立筋厚度的尺寸约束修改为新的厚度值，拉伸时指定相应立筋段的两限制平面，就可以方便地得到各个立筋段。这样可以避免多次重复绘制二维图，大大提高了建模速度。

长桁钩的厚度和高度延长度方向从壁板的一端到另一端呈线性变化，与立筋的几何特征截然不同。可尽量先做出实体，然后进行切、挖等操作来最后得到所要实体。例如建立草图时将顶部长桁钩二维图外边界放大（按最大尺寸画出），拉伸出实体后，再用切面剪切得到长桁钩顶部斜面和侧面斜面，此处所选择的切面面积应大于待切表面的大小，否则系统会提示出错。另外，也可用放样命令(Loft)，将两幅草图中位置不同的点和线线性连接以构建实体。所以在构建有两个面都呈线性变化的长桁钩时具有明显的适用性。

因此将长桁钩和立筋应建立在不同的模块中，分别用Trim命令和Pad命令建模。这样将结构较为复杂的长桁分解为结构较为简单两部分，使两部分结构的拓扑特征变得十分明晰。

2.3 各部分整合

分别建立的长桁两个部分是相互独立的零件，各个部分的建模都分别分配有不同的PartBody，这样可以避免在同一个PartBody下建立各个实体命令带来的相互影响，有利于后续模型的修改，同时不同的PartBody在模型打开时并行进行，提高了模型的访问速度。

前述在完成了各个部分的建模后，要将它们合为一个整体，需要将其用布尔和命令将实体相加，这样在数控程序编制阶段才能够被识别并作为整体进而生成数控加工程序。布尔和后并不影响原来分别建立的立筋和长桁钩各自的几何拓扑性质。仍有很强的参数化特征，方便修改。

首先新建一个空PartBody作为布尔和的载体，定义为工作状态(Object)，将代表壁板结构各个部分的所有PartBody运用布尔和命令add加入其中。布尔和结果特征树如图4所示。