基于CATIA的杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

吳宇，王志國(guó)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

飛機(jī)在飛行時(shí)受到的載荷主要是分布在飛機(jī)表面的空氣動(dòng)力載荷，在試驗(yàn)室內(nèi)完全復(fù)現(xiàn)這種空氣動(dòng)力尚不可能[1-2]。因此，在具體飛機(jī)靜力試驗(yàn)中，往往將這些氣動(dòng)載荷折算成一些載荷加載點(diǎn)并在這些點(diǎn)上施加集中載荷。載荷加載點(diǎn)數(shù)量很大，而試驗(yàn)中的作動(dòng)筒數(shù)量則十分有限[3]。因此在實(shí)際試驗(yàn)中，需要通過(guò)加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由一個(gè)作動(dòng)筒向飛機(jī)構(gòu)件上多個(gè)載荷加載點(diǎn)施加載荷。其中，杠桿加載系統(tǒng)作為應(yīng)用最廣的加載系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，仍然存在工作量大、效率低等問(wèn)題。陳江寧[4]研究了杠桿加載系統(tǒng)連接關(guān)系設(shè)計(jì)的方法。據(jù)此，可以實(shí)現(xiàn)加載系統(tǒng)連接關(guān)系設(shè)計(jì)，但是建立加載系統(tǒng)中參數(shù)、形狀各異的組件幾何模型仍然是繁復(fù)的工作。因此，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)潔高效的加載系統(tǒng)數(shù)模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化生成，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

CATIA是航空工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的CAD軟件，其參數(shù)化功能大量應(yīng)用于設(shè)計(jì)工作[5]。本文介紹了基于CAA(component application architecture)技術(shù)的杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化建模方法，并使用RADE(rapid application development environment)技術(shù)開(kāi)發(fā)了杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化軟件。軟件實(shí)現(xiàn)了杠桿加載系統(tǒng)中杠桿以及連接件參數(shù)化生成、自動(dòng)裝配以及調(diào)整功能，可以方便快速地實(shí)現(xiàn)杠桿加載系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)與方案展示。

1 CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

一般而言，對(duì)CATIA軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)有兩種方式：1)自動(dòng)化對(duì)象(automation API)編程技術(shù)；2)CAA技術(shù)。前者是交互方式的定制開(kāi)發(fā)，而后者是基于組件的定制開(kāi)發(fā)。

自動(dòng)化對(duì)象編程技術(shù)使用VB語(yǔ)言進(jìn)行編程，較為簡(jiǎn)單易上手，依靠程序調(diào)用CATIA中已有的功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交互。這一技術(shù)通過(guò)編制程序去控制另一種程序，再間接地通過(guò)調(diào)用方法、設(shè)置屬性的方式來(lái)操作、處理數(shù)據(jù)。因此，采用該方式開(kāi)發(fā)的軟件工作效率很低。

CAA技術(shù)使用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，功能更加全面。這種開(kāi)發(fā)方法的實(shí)現(xiàn)依賴于其中的RADE技術(shù)和不同的CATIA接口函數(shù)。RADE技術(shù)以Microsoft Visual Studio 2005為載體，在限制Visual Studio部分功能的同時(shí)，將二次開(kāi)發(fā)工具與編譯器集成其中，組成了一個(gè)擁有完整編程工作組的可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。CATIA接口函數(shù)則采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，使用組件對(duì)象模型與對(duì)象連接及嵌入技術(shù)設(shè)計(jì)而成。因此，采用CAA技術(shù)開(kāi)發(fā)的軟件，更易維護(hù)，也更易拓展。

為了保證軟件的工作效率與可維護(hù)性，本文采用CAA技術(shù)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。CAA技術(shù)利用RADE技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件界面設(shè)計(jì)，可以將軟件產(chǎn)品很好地融入CATIA軟件環(huán)境中；同時(shí)，該方法通過(guò)CATIA接口函數(shù)直接獲取、處理數(shù)據(jù)，效率更高。

2 杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化

單個(gè)加載點(diǎn)的載荷一般遠(yuǎn)小于作動(dòng)筒的拉力。因此，一般先將加載點(diǎn)用杠桿兩兩連接起來(lái)，根據(jù)杠桿原理得到兩個(gè)加載點(diǎn)的合力位置，通過(guò)一個(gè)杠桿實(shí)現(xiàn)對(duì)兩處載荷的加載；同樣，可以用一個(gè)杠桿對(duì)兩個(gè)杠桿的載荷進(jìn)行加載。依此類推，可以得到具有多級(jí)杠桿的杠桿加載系統(tǒng)，利用一個(gè)作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)飛機(jī)構(gòu)件上多個(gè)載荷點(diǎn)的加載。

2.1 杠桿加載系統(tǒng)組成

杠桿加載系統(tǒng)中使用的零組件可以依其功能分為杠桿、連接件和緊固件、配重件。如圖1所示，即是一個(gè)由3個(gè)杠桿與7個(gè)連接件組成的二級(jí)杠桿加載系統(tǒng)。

圖1 杠桿加載系統(tǒng)組成

杠桿可按其兩側(cè)力臂是否可調(diào)分為通用杠桿和專用杠桿。如圖2所示，專用杠桿在兩側(cè)裝配位置開(kāi)通孔，而通用杠桿則在兩側(cè)與連接件裝配處開(kāi)長(zhǎng)孔。因而通用杠桿可以在同型號(hào)飛機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行回收，在其他型號(hào)飛機(jī)試驗(yàn)時(shí)重復(fù)使用；而專用件在同型號(hào)飛機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后則無(wú)法繼續(xù)使用。因此在大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，仍較多地使用通用杠桿。

圖2 杠桿組件

連接件用于作動(dòng)筒和加載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)各級(jí)杠桿間以及加載系統(tǒng)和膠布帶間傳遞拉力。連接件依據(jù)其工作位置可以分為末級(jí)連接件與非末級(jí)連接件。末級(jí)連接件在加載系統(tǒng)與膠布帶間傳遞拉力，包括松緊拉環(huán)和二孔拉環(huán)。末級(jí)連接件的長(zhǎng)度可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，具體的型號(hào)選擇由膠布帶情況決定。非末級(jí)連接件包括拉板、松緊螺栓、松緊螺套、鋼繩。其中，拉板不允許上下級(jí)杠桿間存在角度偏差，因此較少在實(shí)際試驗(yàn)中使用；松緊螺套可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整長(zhǎng)度；而鋼繩則用于上下級(jí)杠桿間距離過(guò)大的情況。

杠桿加載系統(tǒng)中除上述介紹的主要組件外，還有螺栓、螺母、軸套等用于將連接件與杠桿安裝在一起的緊固件以及重物、滑輪等配重件。這些零件的選型往往在加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行。如果在設(shè)計(jì)加載系統(tǒng)時(shí)，就確定其具體型號(hào)，將是非常占用時(shí)間的，同時(shí)也不具有實(shí)際意義。因此，在參數(shù)化杠桿加載系統(tǒng)時(shí)，往往不考慮固定件與配重件，同時(shí)也省略了杠桿、連接件中如螺紋、軸套、螺母等細(xì)節(jié)特征。

2.2 杠桿加載系統(tǒng)建模

通常產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)有兩種方式：

1)無(wú)CATIA數(shù)模實(shí)例參數(shù)化設(shè)計(jì)。在該模式下，完全通過(guò)編程的方式，對(duì)零組件進(jìn)行建模。用戶輸入?yún)?shù)，調(diào)用編制好的程序，產(chǎn)生需要的數(shù)模。此方法完全采用程序描述零組件建模過(guò)程，開(kāi)發(fā)量大，且程序語(yǔ)句與設(shè)計(jì)者的建模思路密切相關(guān)，后期維護(hù)困難。故該方法主要用于無(wú)法完全用參數(shù)表達(dá)的零組件快速建模，如貼合于飛機(jī)外表面的膠布帶模型。

2)有CATIA數(shù)模實(shí)例參數(shù)化設(shè)計(jì)。此方法適用于可完全參數(shù)化的零件模型，利用CATIA知識(shí)工程模塊中的參數(shù)、公式和設(shè)計(jì)表配合編程的方式對(duì)已實(shí)例化的數(shù)模進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)。用戶通過(guò)選擇零組件型號(hào)，間接地輸入?yún)?shù)，調(diào)用程序驅(qū)動(dòng)已實(shí)例化的數(shù)模更新，得到需要的數(shù)模。這種參數(shù)化建模方法特別適用于結(jié)構(gòu)形式不變的零組件開(kāi)發(fā)，如標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)等。

因此，選用后一種方法對(duì)杠桿加載系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)：首先建立組件的一個(gè)具體數(shù)模；然后使用知識(shí)工程中的參數(shù)與公式功能約束其中的可變尺寸；接著利用設(shè)計(jì)表功能生成該組件的尺寸參數(shù)表；最后在該表中填入該組件其他型號(hào)的尺寸，得到如圖3所示的數(shù)模。

圖3 松緊螺栓數(shù)模

2.3 裝配約束

在使用杠桿加載系統(tǒng)組件數(shù)模時(shí)，除了需要根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果改變組件的型號(hào)，還需要約束其具體位置，這就需要在數(shù)模文件中建立裝配特征與裝配約束。一般希望裝配特征與裝配約束在滿足定位需求的前提下盡可能地少。

一個(gè)連接件往往需要保證其上部圓孔或圓環(huán)與杠桿一側(cè)螺栓軸套進(jìn)行裝配，其下部圓孔或圓環(huán)與下級(jí)杠桿中部的螺栓軸套或膠布帶中的鋁棒進(jìn)行裝配。若完全按照裝配關(guān)系設(shè)計(jì)連接件的裝配約束，則需要構(gòu)建四組裝配特征，其中兩組用于約束連接件位置，兩組用于約束連接件上下兩部分的方向。但是在實(shí)際加載系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)中，一般將連接件簡(jiǎn)化為一個(gè)零件整體，沒(méi)有必要同時(shí)考慮連接件上下兩部分的方向。因此，只需要三組裝配特征就可以對(duì)連接件進(jìn)行約束：兩組裝配特征約束連接件的位置，另一組裝配特征約束連接件的方向。

類似地，杠桿在安裝時(shí)中間孔通過(guò)螺紋件和軸套與上級(jí)連接件相連，而左側(cè)和右側(cè)長(zhǎng)孔通過(guò)螺紋件與軸套分別與兩個(gè)不同的下級(jí)連接件相連。可以采用三組裝配特征約束杠桿的位置，一組裝配特征約束杠桿的方向。但是，該種約束方式顯然是過(guò)約束：杠桿的中心裝配點(diǎn)位置可由其兩側(cè)裝配點(diǎn)位置與兩側(cè)載荷大小通過(guò)杠桿原理計(jì)算獲得。因此，采用兩組裝配特征約束杠桿位置，一組裝配特征約束杠桿方向。具體裝配約束如下表。

表1 杠桿加載系統(tǒng)裝配約束關(guān)系

3 軟件應(yīng)用舉例

以某機(jī)翼結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)為例，演示杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化建模軟件的應(yīng)用效果。該結(jié)構(gòu)共23處加載點(diǎn)，使用2個(gè)作動(dòng)筒進(jìn)行加載，共有44個(gè)連接件與21個(gè)杠桿。先輸入各級(jí)杠桿的位置與連接關(guān)系，如圖4所示。然后點(diǎn)擊“生成”按鈕自動(dòng)插入杠桿加載系統(tǒng)的組件；再點(diǎn)擊“裝配”按鈕，將各組件安裝至對(duì)應(yīng)的位置，如圖5所示。

圖4 輸入的組件位置與連接關(guān)系

圖5 生成的杠桿加載系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于CAA技術(shù)的飛機(jī)靜力試驗(yàn)杠桿加載系統(tǒng)參數(shù)化建模方法，包括杠桿、連接件的參數(shù)化建模方法和裝配方法。利用RADE技術(shù)編寫(xiě)了軟件界面，通過(guò)該軟件可以依據(jù)杠桿連接關(guān)系完成杠桿加載系統(tǒng)的參數(shù)化建模。對(duì)一個(gè)飛機(jī)部件試驗(yàn)中杠桿加載系統(tǒng)建模的應(yīng)用表明：所開(kāi)發(fā)軟件界面友好，設(shè)計(jì)人員可以快速地實(shí)現(xiàn)加載系統(tǒng)建模。同時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)的加載系統(tǒng)不理想時(shí)，可以快速更改設(shè)計(jì)參數(shù)，迅速生成新的加載系統(tǒng)模型，能明顯提高工作效率、縮短設(shè)計(jì)周期。