主模型驅動的模型槳葉標定夾具變型設計

余瑩，陳煥，陳垚鋒，程起有

（中國直升機設計研究所直升機旋翼動力學重點實驗室，江西景德鎮 333001）

0 引言

模型槳葉主要是用在直升機縮比模型試驗中驗證全尺寸槳葉氣動特性的。試驗前，需要對模型槳葉上貼的應變片進行標定，以便在試驗中準確地監控槳葉剖面載荷。標定夾具的主要作用是在模型槳葉標定時，對槳葉進行固定、夾緊及加載。如今直升機向著高速化、無人化、智能化方向發展，模型槳葉尺寸結構更改頻繁、一副槳葉不同翼型段加載夾具也不同，這就對模型槳葉標定夾具設計效率和質量有了更高要求[1-3]。

當前模型槳葉標定夾具的手工設計模式效率低、繁雜、易出錯，不能有效重復利用已有的槳葉標定夾具。近年來，國內外學者在夾具快速變型設計方面有不少研究：伍偉[4]在自動開封蓋的變型設計中，建立了一套尺寸約束處理方法，較好地知道產品尺寸約束傳遞路徑，但尺寸約束處理準則還需完善；卜慶奎等[5]和黃斌達等[6]建立一種夾具模板的方式，以裝夾特征為依據，一定程度提高了夾具設計效率，但在復雜夾具情況下，需要手動修改部分參數，且未考慮二維圖的生成；在提高夾具設計效率方面，陳明生等[7]針對航空夾具設計時，提出了不同層次的知識重用，包括零部件重用、裝配關系重用等，為夾具的高效率設計提供了思路。

基于此，本文提出一種主模型驅動的模型槳葉標定夾具變型設計的方法。該方法基于主模型的思想，通過構建槳葉標定夾具變型設計主模型，并將模型槳葉的三維裝夾特征與夾具變型設計主模型的關鍵尺寸映射關聯，實現兩者之間的參數驅動，從而擯棄手動量取尺寸建模，可大幅簡化設計操作，減少人為誤差，縮短設計周期。

1 槳葉標定夾具變型設計原理

主模型可以作為具有特征相似性產品的原始三維模型，描述了產品的主要特征，像模板一樣通過對一些關鍵參數的修改來控制產品變型[8-9]。

變型設計是以不改變原產品的基本原理、功能和結構等為前提，對組成產品相關元組件的尺寸進行重新賦值，或改變部分元件的結構位置，以適應新產品的功能需求[10-11]。

主模型驅動的模型槳葉標定夾具變型設計原理如圖1所示。首先通過分析模型槳葉和標定夾具間的裝配關系，得到裝夾特征（定位、夾緊、加載的點線面），基于復雜網絡理論用這些點線面的關鍵尺寸繪制尺寸約束網絡圖，得到標定夾具內部尺寸間、夾具與槳葉尺寸間的關聯，并建立映射關系。接著，用夾具與槳葉的映射關系和裝配約束關系即可建立標定夾具變型設計主模型。若要為新模型槳葉設計標定夾具，只需拾取模型槳葉的裝夾特征，便可自動驅動夾具變型設計主模型快速變型，完成夾具設計，并快速繪出標定夾具的二維圖。

圖1 槳葉標定夾具變型設計原理圖

2 夾具變型設計主模型構建

2.1 標定夾具尺寸約束網絡圖構建

槳葉標定夾具包括槳葉根部固定夾具和槳葉型面段加載夾具。這里以槳葉根部夾具設計為例。槳葉根部夾具主要用來固定夾緊槳葉根部的上下平面和安裝孔，槳葉根部夾具的裝夾特征面主要是平直面和圓柱面，如圖2（a）所示，平直面對應的關鍵尺寸為長L和寬W，圓柱面對應的關鍵尺寸為高H和直徑D。

圖2 槳葉根部夾具裝夾面及尺寸參數

根據復雜網絡理論可建立槳葉根部夾具的尺寸約束網絡圖，如圖3所示。在尺寸約束網絡圖中，每一個畫圈尺寸參數視為一個節點，用有向箭頭線進行連接，箭頭上的關系式代表兩兩節點參數間的換算關系，例如H2=d+15，X代表有向邊的源頭節點尺寸。節點中有向邊離開和指向的邊的和記為出度和入度，例如參數L1出度為1，入度為2，其中將只有出度，入度為零的節點或既沒有出度也沒有入度的孤立節點參數作為裝夾特征主尺寸參數，分別為L2、d、W和H1。

圖3 槳葉標定夾具尺寸約束網絡圖

模型槳葉根部安裝的裝夾特征主尺寸主要包括安裝孔的直徑尺寸參數dr1、兩安裝孔位置尺寸參數Lr2、安裝孔到模型槳葉根部端面尺寸參數Hr1、模型槳葉厚度尺寸參數Wr1，也是安裝柱面高度尺寸，這4個尺寸參數可由3個裝夾特征面確定，即2個安裝孔柱面和模型槳葉左端面。

由此，可根據槳葉根部夾具和槳葉裝夾關系，繪制模型槳葉和槳葉根部夾具間的尺寸參數約束網絡圖，如圖5所示，即槳葉根部夾具可由模型槳葉的dr1、Lr2、Hr1、Wr1等4個參數驅動變型，黑箱代表模型槳葉和標定夾具之間的參數關系。

圖5 模型槳葉與槳葉根部夾具約束網絡圖

2.2 建立尺寸參數間映射關系

根據尺寸約束網絡圖，即可構建槳葉根部夾具尺寸參數間和槳葉根部裝夾夾具與模型槳葉之間的尺寸參數映射關系。

1）槳葉夾具尺寸參數間的映射關系。按照有向邊上的換算關系式建立，例如H2=d+15。

2）槳葉根部裝夾夾具與模型槳葉之間的尺寸參數映射關系。

在常用CAD軟件中，不同部件之間以“：：”域的方式進行映射關聯，例如L2=R：：Lr2，這里R指模型槳葉。

2.3 裝配約束關系建立

裝配約束關系的建立主要用于后續驗證變型生成的新標定夾具和新模型槳葉裝配是否符合要求，以及是否存在干涉問題時能夠自動裝配。

槳葉根部夾具與模型槳葉的裝配約束包含以下2個（如圖6）：1個安裝柱面孔外徑的同心約束、槳葉根部夾具槽底平面與模型槳葉根部左端平面的面面接觸約束。

圖6 槳葉根部夾具與模型槳葉裝配約束

這里采用一種裝配幾何元素屬性值標記方法，為槳葉根部夾具參與裝配的幾何面添加面裝配約束關系屬性值，標記為：AC#01#Typeconcentric, AC#02#TypeTouch。其中“AE”是“Assembly Constraint”縮寫；“01”為參與裝配的第一個幾何面；“Typeconcentric”表示同心約束；“TypeTouch”表示面面接觸約束，以便通過讀取夾具三維模型的幾何面的屬性值，獲取裝配約束的順序及約束類型，完成與槳葉三維模型自動裝配。

圖4 槳葉根部部分裝夾特征尺寸

2.4 構建夾具變型設計主模型

依據尺寸約束網絡圖，在參數化建模的基礎上，構建槳葉標定夾具變型設計主模型，將其記為FM，FM是夾具主模型的唯一標志，如式（1）所示：

式中：FM表示夾具主模型，FM3D表示夾具主模型的三維模型，FMPi表示夾具主模型的第i屬性，MPRi表示主模型屬性中的第i個參數關系式，MPDi表示主模型屬性值中的第i個裝夾特征主尺寸參數，AEi表示槳葉根部夾具參與裝配的第i幾何元素標志。

如圖7所示，FMPi和AEi作為模型自身的屬性值保存在夾具三維模型的屬性中。

圖7 夾具主模型屬性保存

3 系統實現

基于上述槳葉標定夾具變型設計主模型構建的原理及關鍵技術，結合NX二次開發技術，開發了如圖8所示的模型槳葉標定夾具變型設計系統。該系統功能包括3個部分：變型設計、快速裝配及快速出圖。變型設計時，只需要選擇模型槳葉三維模型的2個安裝柱面（步驟1）和左端面（步驟2）即可；需要快速裝配時，選擇一條柱面外徑邊（步驟3），結合變型設計中選擇的左端面（步驟2）即可完成快速裝配；快速出圖，選擇好圖樣保存路徑，點擊快速出圖（步驟4），即可快速導出PDF格式圖樣。

圖8 模型槳葉標定夾具變型設計系統

4 實例驗證

以某型號模型槳葉根部夾具設計為例，設計人員手工設計和用變型設計系統設計時間對比，如表1所示。設計時間從45 min減少到5 min左右，顯著提高了設計效率，且避免了設計過程中一些人為手工測量的誤差。

表1 手工設計與變型設計操作時間對比

5 結語

針對模型槳葉標定夾具人工設計效率低、易出錯等問題，利用尺寸約束網絡圖和主模型技術，實現了標定夾具參數間、模型槳葉與標定夾具裝夾特征面之間的參數映射；以添加裝配屬性標記的方法，建立裝配約束關系，實現新標定夾具與模型槳葉的快速裝配；最后結合二次開發技術，開發了模型槳葉標定夾具變型設計系統，該系統除了具有快速變型設計、快速裝配功能外，還有快速出圖的功能，并通過實例驗證了該變型設計方法在夾具設計效率和可靠性上的提高。