基于CATIA的航空發動機模型開發

張帆

摘 要：通過開發航空發動機模型，改變以往的平面圖形教學模式，使學生思維在立體上有深刻印象。本文講述了，利用CATIA軟件建立cfm56-7b發動機的模擬模型，以及利用3D打印機打印實物模型的方法，著重闡述了建模思路，CATIA的操作流程。實物主要由龍門式單噴嘴打印機打印，打印時的參數調整及設置。

關鍵詞：模型開發；航空發動機；3D打印

隨著教育方法設施的不斷完善擴展，三維建模設計與制造技術已經在科教行業得到了廣泛運用，同時正在迅速發展。基于CATIA平臺的三維建模技術的研究與實現，為教學提供了一種很好的工具，對教學和研究都起了很大的促進作用，具有很大實用性。該種技術完全是在虛擬的環境下對構件的系統結構建模，并且能夠對模型進行自由旋轉，這樣能夠更清楚的體現出結構特點，從而提高了教學多元化。再運用3D打印，得到模型的各實體部件，能讓學生對相關部件的結構原理及裝配有更深入的理解。

在CATIA中進行制圖，然后另存為stl格式軟件，用Cura DGO _14.07.01打開stl格式文件，進行打印時的調整。并輸出格式為gcode文件，儲存在sd卡中。最后將sd卡插入3d打印機開始進行打印。主要進行的是民用航空發動機cfm56-7b發動機的三維建模，因此需要準備相應的參數資料，737-600/700/800/900的AMM手冊和IPC手冊，Cfm56剖面圖。主要查閱部件的具體位置，數量，各自的相對應關系，和進行輪廓的勾勒。

1 發動機三維模型的實現

打開CATIA軟件，點擊開始按鈕→形狀→sketch tracer，插入cfm56-7b的剖面圖，在cfm56-7b發動機的中軸線上設置原點坐標。進行輪廓描繪。描繪好后右擊Product→部件→新零件，建立一個新的part，命名的時候不可以用漢語，只能用英文字母或數字。然后雙擊此part進入零件設計界面，點擊y-z平面→草圖編輯器按鈕，進入草圖編輯。

1.1 風扇部分建模

在已插入的平面圖的基礎上進行繪制，先畫出風扇的整流錐前部，并對其進行加工，挖取螺栓槽，并對整流錐后部進行建模。其次對風扇輪盤進行建模，在輪盤實體上面利用開槽命令開榫槽， 如圖1所示。

之后對葉片進行建模，考慮到葉片本身是沿葉高方向扭轉的。因此在空間建立多個個平行的平面，多個平面應該包括葉片的根部，扭轉角度最大的部位，以及葉尖。建立完成后，分別在三個平面繪制相應位置的葉型截面圖，繪制完成后退出操草圖編輯器，進入零件設計平臺。點擊多截面實體按鈕，依次選取多個截面，正確選取后，點擊預覽按鈕，最后點擊確定，葉片模型建立完畢。如圖2所示。

并對此葉片添加與輪盤相對應的凸臺特征，便于以后的裝配。最后對保持環和法蘭盤進行建模。至此風扇部分的建模工作基本完成。

1.2 其余轉子部分建模

同風扇部分是相似的，首先查閱手冊得知低壓壓氣機共有三級，高壓壓氣機有九級，高壓渦輪一級，低壓渦輪四級。低壓壓氣機動葉數量分別是74，78，74。靜葉數量分別是進口導向葉片是108，其余都為136。高壓壓氣機動葉數量分別是38，53，60，

68，75，82，82，80，78。靜葉數量分別是42，82，84，72，100，96，

110，120，110。高壓渦輪動葉數量為80，靜葉數量為42。低壓渦輪的動葉數量為162，150，150，134。靜葉數量分為96，108，140，132。開始正式建模，首先建立轉子部分，以cfm56-7b的剖面圖為背景，描繪轉子輪廓，包括三級低壓壓氣機的輪盤輪轂，高壓壓氣機九級的輪盤輪轂，高壓渦輪的輪盤，以及低壓渦輪的各級輪盤。

草圖繪制完成之后，退出草圖編輯器。以橫軸（橫軸應位于背景剖視圖的軸線）為旋轉軸，將草圖進行實體旋轉。旋轉實體完成之后開始對各級輪盤外表面建立相應的榫槽特征。之后對各級的葉片進行建模，高壓壓氣機葉型要求各級沿葉高方向有扭轉，渦輪沿葉高方向扭轉較少。利用多截面實體，新建平面和凸臺命令，將轉子各級葉片模型建立完成，進行裝配后，點擊陣列，選擇圓形陣列，陣列方式選擇完整徑向，數量選擇各級的葉片數量即可將轉子部分建模工作基本完成。

如圖3所示為高壓壓氣機部分。

1.3 靜子部分建模

首先進行的是手冊的查詢，得到相應的各級葉片數量后，在背景剖視圖的基礎上對靜子部分開始建模，描繪輪廓，完成基本草圖的繪制。退出草圖編輯器，施加旋轉特征。得到外機匣和靜子葉片內環，此時我們可以選擇在外機匣內壁建立新平面，直接對葉片進行建模，省去后期裝配的過程。在零件設計平臺，點擊新建點按鈕，選擇點在曲面上，選擇靜子葉根所在的曲面，將此空間點建立在此處曲面上。之后點擊新建平面，選擇曲面的切線，選取曲面，選取點，完成與此曲面相切此點的平面構建。然后以這個平面為基礎對葉片進行建模，對于高壓壓氣機而言，需要在建立完成此平面后，建立與平面平行，但垂直距離為此級靜子葉高的平面，并于兩平面間在建立兩到三個平面，以完成葉片需要扭轉的需求。由于渦輪葉片對于扭轉的需要不高，我們只在葉根和葉尖建立兩個平面即可。至此靜子部分的建模工作基本完成。

2 其余部分的補充建模

考慮到建模的主要目的是為了教學，我們將除去主要的轉子和靜子部分之外的結構單獨對其進行建模。主要包括滾珠軸承和圓柱軸承，封嚴裝置，燃燒室，燃燒室附帶的油路裝置，尾噴，尾噴部分的支板和整流錐。建模的整體思路還是先進行輪廓的描述，之后進行三維特征的建立，對于剖視圖上沒有表達清楚的部分，我們需要自習的查詢手冊，進行求證。

3 輸出三維實物模型

我們可以將繪制好的三維模型進行3D打印，這樣在教學方面會給學生帶來更直觀的印象。打印機的類型為龍門式，打印材料為PLA，直徑為1.75mm。打印時先將CATIA文件另存為格式為.stl的文件，以便于用cura軟件打開，進行打印前的調整。層高一般設置為0.1至0.3，外殼厚度設為1.2，開啟回抽，設置底部/頂部厚度為1.2，填充密度為百分之25，打印速度為60mm每秒。在打印前對打印機進行調平，并在熱床平臺上貼上紙膠帶，便于打印完成后模型的取下。由于打印機的精度問題，對于不便于一次成型的部分，我們可以分開打印，之后對實物進行粘合。

4 結論

CFM56系列發動機在世界民航發動機仍然占有很大的份額，本課題以CATIA為平臺，根據CFM56-7發動機的AMM手冊、IPC手冊，對發動機進行建模，過程中學習了發動機的結構特點和CATIA軟件的建模方法技巧，最后用3D打印機將部件打印成實體，用于教學目的。

本文有以下一些突出特點：

1）在建模過程中，使用了插入圖片作為背景，通過描摹來畫草圖的方法，與運用測量畫草圖的方法相比，使畫出的草圖更加精準，各個部件之間的比例關系更加協調。

2）在開榫槽時從AMM手冊找到了榫槽截面圖，描繪出了準確的模型草圖，然后通過圓弧中心線開槽，使輪盤模型上的榫槽更逼真，更接近實際。

3）有些結構的剖視圖沒有該結構的體現，但是我通過閱讀AMM手冊，分析IPC手冊，建立起了符合功能和結構要求的模型。

4）重點注意壓氣機葉片，靜子葉片，渦輪葉片它們的葉盆，葉背之間的相互關系，查找相應的資料，對應流場關系，正確的確定它們的關系。

本文也存在一些不足的地方：

1）由于缺乏實踐的經驗，忽略了建立的模型和實際的打印成品之間各環節存在的誤差，沒有考慮到打印機的打印質量，使成品較粗糙。

2）由于技術封鎖，缺乏一些關鍵參數，使葉片模型沒法用于更深層次的研究。

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