运用参数化设计翼肋

朱文兰等

【摘 要】近年来，由于计算机技术的不断发展和进步，在飞机研制上以广泛采用全CATIA三维结构设计手段代替了原有的二维图纸设计方式。

【关键词】三维模型；参数化；机翼；翼肋；建模

0 概述

飞机设计是非常复杂的工作，需要不同的专业，不同的人共同协作。贯穿飞机研制阶段的三维设计，将大幅缩短研发周期，减少研制费用，提高质量。在三维基础上发展出的关联化结构设计，使飞机设计过程中，在研制阶段就能三维模型上体现出不同系统、不同部件间的协调关系来。设计员能很清楚的看到与己先关的其他部件的位置关系，从而更好地进行结构设计。

随之而来，由于设计过程的创造性和复杂性的特点，三维设计在数据修改上，让很多设计师都觉得繁琐。参数化设计成为今后设计工作的主要发展方向。

1 参数化设计的由来

参数化设计方法的研究工作最早可追溯到20世纪60年代早期，Suthedand在他开发的Sketchepad系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来Hillyard、Gossard进一步发展了这一思想，并使之实用化，在应用此方法的过程中，人们也发现了早期参数化方法的诸多弊端，如迭代收敛性问题等，由此人们又提出了符号法用以克服这些问题，但符号法的计算量很大，在实用中受到很大的限制。人们又提出了应用人工智能思想的方法：基于图的方法，用图的表示改善推理过程，这种方法把约束及其所约束的几何元素用图论的方法表述出来，然后对约束进行几何推理确定各几何元素的参数值。这种方法简洁、计算量小，因而在实际软件系统中得到了广泛应用。

参数化设计的最大优点是系统自动记录建立几何形体的整个历程，换句话说，系统不仅记录建立的几何形体，同时也记录设计意图，即几何间的关系。当改变参数时，几何关系保持不变。CATIA作为一个基于特征的三维辅助设计软件，利用几何约束实现了尺寸驱动，设计者可以在设计过程中预先定义设计变量，再通过简单的算术表达式定义几何尺寸，几何尺寸也可以以变量的形式加入到算术表达式中，以驱动其它尺寸。

以机翼中结构最简单的翼肋为例，从中我们就能很明显的看到参数化结构设计的优点。

2 翼肋结构分析

翼肋分为普通肋和加强肋，其构造形式可分为腹板式、构架式、围框式和整体肋等，无论那种形式的翼肋，其都主要是用来承受局部气动载荷和维持机翼外形。从翼肋的结构形式可以看出，翼肋的厚度都远远小于其长度和宽度，并且为了维持外形，其外形几乎与机翼安置翼肋处的翼型一致。

以双梁式机翼的普通翼肋为例，从结构角度来说，与翼肋有连接关系的是前后梁和壁板。蒙皮把气动载荷分别传给长桁和翼肋。气动载荷直接作用在机翼蒙皮上，蒙皮通过铆钉以分散连接形式和长桁、翼肋相连，将外载传给了翼肋和长桁。长桁与翼肋通过角片相连，由于气动载荷方向垂直于长桁轴线，且处于翼肋平面内，在此种载荷下，翼肋的刚度比长桁大得多，因此长桁把自身承担的气动载荷传给翼肋。翼肋把自身及收集到的气动载荷传递给由蒙皮壁板、翼梁腹板组成的翼盒。为了尽可能的减少飞机结构重量，一般翼肋中间都会有几个用来减重的减重孔。从上述分析可以看出普通翼肋结构基本相似，适宜进行参数化结构设计。

3 参数化翼肋建模的方法

参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改己定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数驱动的方式便于设计的修改和设计。

从上述分析我们可以看出，所有的普通肋我们都可以用参数化设计的理念来进行建模，以便于后期强度校核阶段的修改。运用关联设计的方法，在建立翼肋三维模型之前，先建立机翼盒段的CATIA骨架模型将主要的位置及搭接放入其中（包括肋平面位置、梁平面位置、理论外形等）。根据参数化建模的需要，单击下方的参数编辑图标，在骨架中建立肋建模需要的腹板厚度、缘条厚度已经补偿片的厚度几个参数并赋予数值，并将建立的数值发布。做好上述准备工作之后开始下一步建模的工作。

我们选取肋的典型结构形式为例：

肋腹板的建模：选取骨架中发布的肋平面为基准平面→绘制草图→完成后向肋前拉伸生成实体，拉伸厚度点击数值旁边的编辑公式按钮→进入公式编辑界面→选择已经发布的腹板厚度→确定完成。

肋缘条的建模：肋缘条在肋前，首先建立与肋贴合的面作为投影平面→用平面的命令选取肋平面为基准向肋前偏移生成草图绘制平面，定义偏移量为骨架中的腹板厚度→绘制草图→生成实体，并定义厚度为骨架中已发布的缘条厚度，同样的方法对缘条立筋建模。

最后用同样的方法完成补偿片的建模，完成整个肋建模过程中与骨架中所定义的参数的连接关系。

4 参数化与传统结构设计相比优点

相比之前的三维模型而言，参数化设计后数据的修改变得简单而直接。在设计过程中，只要保证局部约束的完整性，即可完成参数化的修改。也不必花大的开销来记录图形中复杂的约束关系，而是直接对图形的几何数据进行操作。

假设肋腹板的厚度需要修改，我们只需要在骨架中将肋腹板厚度的参数重新赋值并更新数模，就能完成整个肋数模的更改。方便设计人员查找和修改，大大的减少数模更改所需要的时间。

在非参数化设计的三维模型里面，看看要完成上述需要修改需要做什么！首先我们要知道该零件的建模步骤才能进行下一步操作，在腹板的数模里更改腹板的厚度；完成以后，再看看缘条和补偿片与腹板面是贴合的，也需要修改。如此众多的工作，只因为一个数值的修改。

参数化设计方法将传统基于特征的建模方法与参数化技术有机结合起来，实现了多种设计方式和设计形式的支持。将不同的零件几何体间的相同元素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新语义实体。对于零件的修改就可以转化为对构成零件的特征参数值进行修改，不用直接修改几何图形的位置，大大方便了零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性。

5 发展和前景

随着飞机结构设计数字化技术的发展，参数化结构设计日益突出，成为今后结构设计的主要发展方向。参数化设计己成为CAD中最热门的应用技术之一，因为它更符合和贴近现代CAD中概念设计以及并行设计思想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。恰当的运用参数化设计方法进行三维建模，将会给结构设计带来极大的便利，大大缩短设计修改的时间，从而提高工作效率。

【参考文献】

[1]齐从谦，崔琼瑶.基于参数化技术的设计方法研究[J].机械设计与研究，2002.

[2]陈靖芯，徐晶，等.基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用[J].机械设计，2003.

[3]金建国，周明华，邬学军.参数化设计综述[J].计算机工程与应用，2003.

[责任编辑：薛俊歌]