航空發動機外涵機匣結構建模方法研究

呂春光，邱明星，田 靜 ，李 健

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

航空發動機外涵機匣結構建模方法研究

呂春光，邱明星，田 靜 ，李 健

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

為適應航空發動機外涵機匣方案設計時外部附件、管路布局經常調整的特點，應用UGNX軟件的自頂向下建模與WAVE技術，開發了1種新型高效、規范、系統的外涵機匣結構建模方法。結果表明：與傳統建模方法相比，該方法設計效率大大提高，可供航空發動機類似結構設計借鑒。

外涵機匣；結構設計；UGNX；自頂向下建模；WAVE；航空發動機

0 引言

航空發動機外涵機匣是連接中介機匣和后機匣的承力件，形成外涵氣流通道，固定內涵穿出的傳感器、管路，以及外部附件、支架和管路等構件。為此，其殼體上布置若干開孔和安裝座。在方案設計過程中，外涵流道、內外涵連接管路和外部布局方案等的調整，導致外涵機匣上的各種開孔、安裝座位置經常調整和變化。采用UGNX3維傳統的建模方法，為適應上述調整和變化要做許多重復性工作，浪費大量時間，而且容易出現人為差錯。為克服上述缺點，開發1種適應外涵機匣結構方案設計特點，簡捷高效、規范、系統的新型建模設計方法至關重要。自頂向下建模和WAVE鏈接功能是UGNX軟件的優勢之一，但在航空發動機結構3維建模設計中并未深入應用。例如，雖然使用WAVE命令，但鏈接后即斷開，實際沒有應用父件參數修改后，相關子件自動隨之關聯性修改和更新的WAVE優勢等。

本文著重分析外涵機匣的結構特點和UGNX軟件的有關建模功能，以找出二者間有機聯系。

1 建模方案分析

1.1 外涵機匣結構特點

考慮到研制周期和成本，不同階段外涵機匣采用不同的方案，在驗證機階段采用金屬外涵機匣結構，在原型機階段采用復合材料外涵機匣結構。2種結構均為殼體類結構，由機匣殼體、若干安裝座和堵蓋等組成。安裝座和殼體上有較多位置對應的開孔；安裝座底面與殼體外表面完全貼合，貼合型面為錐面或柱面；安裝座用于固定外部附件和支架，安裝面為結構接口，為保證接口尺寸，設計中選擇該尺寸作為設計控制尺寸。外涵機匣結構如圖1所示。

在外涵機匣方案設計過程中，因安裝座底面與殼體外壁應貼合，殼體的錐角調整時，所有有關安裝座的底面需全部調整。外涵機匣一般至少有40個安裝座，修改設計安裝座的底面工作量較大；在外部附件位置調整時，需要調整安裝座的位置，除引起安裝座底面修改外，安裝座在新位置需要有相對機匣的軸向、角向和至中心距離的位置參考進行定位，這些位置參考的調整設計的工作量較大；帶孔的安裝座位置調整時，對應的殼體孔也隨之調整，殼體孔的重新定位的工作量較大。

在外涵機匣結構建模設計過程中，如果有效利用不同零件間結構特征關系（如2個零件開孔位置對應，表面完全貼合等），則在零件分別建模時不需重復設計；如果有效利用這些零件間相關修改的關系，則在零件分別修改時不需做重復工作。有必要結合外涵機匣的結構特點，分析UGNX軟件有關功能模塊，建立高效的建模方法。

1.2 UGNX軟件功能模塊分析

UGNX軟件自頂向下建模和WAVE鏈接功能是其優勢之一，若在結構建模過程中合理應用，可以有效提高設計質量和效率。

1.2.1 自頂向下建模

裝配建模有2種方法，如圖2所示。1種是自底向上建模（Bottom-Up Design）方法：即孤立地建立零件模型，然后再將其加入到裝配層中；另1種是自頂向下建模（Top-Down Design）方法：即直接在裝配層建立零件模型，零件模型建立過程中可同時確定其裝配位置（省去配對約束），并可參考裝配層的或裝配層下其它零組件的與之相關的參數。

1.2.2 鏈接技術

鏈接（WAVE：What-if Alternative Value Engineering）技術采用關聯性復制幾何體方法來控制產品裝配結構（在不同零部件之間關聯性復制幾何體），保證整個裝配和零部件的參數關聯性，最適合于幾何界面相關性和變型產品的快速設計，如圖3所示。當父鏈接參數修改后，子鏈接的相關數據可進行自動快速更新，對零部件進行有效管理和再利用，避免零部件重復設計，大大縮短產品的設計周期。

1.3 建模方案

通過分析外涵機匣方案設計特點與UGNX建模功能，進一步建立二者間的有機聯系，如圖4所示。圖中上半部展示外涵機匣3維結構特點與自頂向下和WAVE的關系，下半部展示自頂向下和WAVE與提高建模效率的關系。根據圖4的分析結果，提出與傳統建模不同的方案。傳統建模方案（方案1）為全部自底向上建模，即孤立地建立殼體、安裝座、堵蓋等模型，然后再將各零件配對約束裝配成外涵機匣模型。安裝座、殼體模型之間沒有鏈接關聯性。本文提出新的建模方案（方案2），是采用自頂向下和WAVE建模技術，即在裝配層設計殼體和安裝座模型，不需配對約束，并且使安裝座、殼體參數WAVE關聯。

2 建模方法

2.1 建模具體方法

針對上面提出的新型建模方案（方案2），本節進一步綜合考慮外涵機匣建模涉及的各環節，解決實施中的具體問題，建立規范的自頂向下、WAVE鏈接建模方法。

2.1.1 自頂向下建模步驟

（1）創建空的零件文件（空的指未創建任何結構特征）；

（2）創建空的組件文件（焊接加工組件或鉚接加工組合件）。在空的組件中創建發動機坐標系和外涵機匣總定位坐標系，繪制機匣殼體錐筒草圖和殼體圓筒草圖，圖層需符合標準化要求。在組件文件中裝配各空的零件文件（采用絕對坐標系裝配即可）；

（3）在組件環境下以零件為工作部件進行零件結構特征創建、保存。本操作完成后為零件鏈接有關定位基準、草圖進行零件定位建模作好了準備。不應在組件中建立零件的定位基準，否則由于數量較多，各定位基準通過圖層或者引用集均難以區分。

2.1.2 WAVE參數制定

外涵機匣結構顯著的特點是安裝座數量多，且安裝座底面與機匣殼體外表面完全貼合，安裝座接口（附件等安裝接口）位置確定后，其結構基本確定。UGNX裝配級不能包含除裝配件外的其它實體，因此裝配級里設置的WAVE全局參數類型只能是線、基準面或基準軸等。綜合考慮以上因素，在焊接機加組合件（或鉚接加工組合件）裝配級中繪制機匣殼體草圖，其中的殼體外壁輪廓線作為WAVE（鏈接）全局控制參數，如圖5所示。殼體和安裝座位于該裝配級下，建模時均鏈接該惟一全局控制參數。

殼體開孔位置均對應安裝座孔位置，殼體建孔時WAVE鏈接安裝座孔的輪廓線作為拉伸對象，使殼體建孔簡化，如圖6所示。

安裝同一附件的幾個支座之間的相互位置一定（取決于附件安裝尺寸），只在其中1個支座中建立定位基準面，以此基準面繪制各支座的草圖。其它每個支座建模時，鏈接第1個支座中的相應草圖線進行拉伸，以簡化支座建模，如圖7所示。按照以上鏈接關系建模，形成的外涵機匣鏈接關系如圖8所示。

2.1.3 衍生外涵機匣

金屬外涵機匣模型完成后，可應用UGNX軟件中的克隆功能，衍生1套復合材料外涵模型。衍生后，因復合材料外涵與金屬外涵安裝座附件安裝接口基本不變，復合材料機匣殼體與金屬機匣殼體存在差異（如殼體厚度、安裝座結構等），這些特點使得通過保持的WAVE關系，修改全局控制參數（機匣殼體草圖）后，安裝座底面與殼體外壁型面將自動進行快速更新，極大減少了工作量。

2.2 方法比較

該新型建模方法在某型發動機外涵機匣設計過程中進行了實際應用，完成了金屬外涵機匣結構設計，并衍生出1套復合材料外涵機匣結構模型。對傳統建模方法（方法1）與該新型建模方法（方法2）進行綜合比較，見表1。

表1 新型建模方法與傳統建模方法對比

為進行2種方法的具體比較，專門進行了示例操作。采用2種方法進行示例建模、裝配和修改的設計時間對比如圖9～12所示。

通過分析表1、圖9～12，與方法1的相比，方法2的建模和裝配簡單，修改（編輯）方便，準確性高，克隆外涵機匣后修改依然高效，可節省很多時間，提高產品的設計效率。

3 結束語

本文結合航空發動機外涵機匣方案設計特點和UGNX軟件的有關功能，研究并開發了外涵機匣簡捷高效、規范、系統的自頂向下、WAVE鏈接3維建模設計方法。經過實際應用，與以往傳統建模方法相比，其設計效率大幅提高。UGNX軟件自頂向下、WAVE建模方法有較大優勢，在航空發動機其它部件乃至總體設計中可進一步研究其操作及應用，以便更好地擴大應用范圍，提高設計效率。

[1]溫莉娜.基于U G/WAVE技術的自頂向下產品建模[J].模具技術，2008（6）：49-52.

[2]沈進.基于U G/WAVE的產品參數化建模技術[J].現代設計與先進制造技術，2008（13）：27-29.

[3]Unigraphics Solutions Inc. UG WAVE產品設計技術培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2002：17-20.

[4]張西廠.基于J T數據編制航空發動機圖解圖的創新方法[J].航空發動機，2009，35（6）:10-13.

Study of Modeling Method for Areoengine Bypass Duct

LV Chun-guang,QIU Ming-xing,TIAN Jing,LI Jian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to adapt to the characteristics on frequently adjustment of external accessories and pipes in areoengine bypass duct design,an innovative,efficient,standard,and systematic method for structural modeling of bypass duct was established using top-down design and WAVE techniologies in UG NX software.The results show that the modeling method can improve design effectiveness multiplied,and offer reference for similar structural design.

bypass duct;structure design;UG NX;top-down design;WAVE;aeroengine

呂春光（1979），男，工程師，從事航空發動機總體結構設計工作。