I-DEAS系統(tǒng)在航空發(fā)動機的實體建模中的應用

侯夢雅

（江西航空職業(yè)技術學院，江西南昌330024）

航空發(fā)動機結構復雜，新技術含量高，維護使用不易。因此，在進行設計分析、制造、維護訓練、修理時，若有數字化的虛擬發(fā)動機則能大大縮短設計分析時間，方便生產單位的加工制造、教學訓練、維護使用以及查找故障和修理，并能為進一步的動力設備操作仿真打下良好的基礎。

目前，發(fā)動機的虛擬數字化技術在國內還是空白，該技術的研究對發(fā)動機的設計改進、制造維修和維護培訓有很大的幫助作用。

創(chuàng)建發(fā)動機實體模型是發(fā)動機虛擬數字化的第一步，也是三維模型交互操作研究的基礎，本文以某型發(fā)動機為例，對發(fā)動機的實體建模進行了研究。

1 航空發(fā)動機實體建模面臨的問題

某型發(fā)動機結構復雜，零部件繁多，進行所有零部件的三維建模及裝配，工作量極其龐大，但也有規(guī)律可循。發(fā)動機由大量的典型零部件類別構成，通過對這些典型零部件類別找到快速建模方法可以大大加快該型發(fā)動機的建模速度。本文首先針對典型零部件類別歸納出發(fā)動機建模存在的問題。

1．1 常用標準件建模存在的問題

改型發(fā)動機包含了900多種標準件，建模的工作量很大，必須摸索出其系列標準和控制其基本形狀的幾個關鍵尺寸，并尋找出快速建模方法從而大大加快標準件的建模進度。

1．2 發(fā)動機葉片建模存在的問題

葉片是發(fā)動機最關鍵的部件，該型發(fā)動機共有50級葉片（包括低、高壓壓氣機動葉和靜葉，渦輪及動力渦輪轉子葉片等），每級葉片都提供4～13個剖面不等，每個剖面都是由關鍵點控制的樣條線。如果直接畫出每個剖面，然后通過放樣剖面創(chuàng)建每個葉片，原則上是可行的，然而這樣要輸入大量的原始數據，容易出錯又不利于以后對模型的修改。必須編制快速創(chuàng)建葉片的批處理程序(Program File)，從而大大加快葉片的建模速度。

1．3 空間管路的快速建模存在的問題

該型燃氣機管路系統(tǒng)空間走向復雜，數量眾多，在管路布置過程中會遇到很多問題，如管路的干涉、最短路徑等，因此尋找出管路的快速建模顯得尤為重要。

1．4 關鍵零部件的實體造型存在的問題

火焰筒和渦輪一、二級動葉是該型燃氣輪最關鍵也是最復雜的部件。

1．4．1 火焰筒的實體建模

火焰筒由四大部分組成，包括旋流器、隔熱屏、混合器及其它附件。其中旋流器結構復雜，在建模過程中使用的特征較多，如旋轉拉伸、放樣、陣列等，而且要多次運用布爾運算，較復雜的布爾運算容易失敗。

1．4．2 一、二級渦輪動葉實體建模

第一渦輪級動葉，不僅外形曲線復雜，為了保證足夠強度和最大的散熱效果，其內部結構也是非常復雜。在此葉片的建模過程中遇到的最大問題是特征的定位和布爾操作。

2 CAD軟件平臺的選擇

針對以上問題，選擇一個合適的CAD平臺至關重要，要求所選的CAD平臺不僅能勝任本系統(tǒng)的所有建模任務，而且建模要有較高的效率，模型具有較好的通用性 （即提供足夠多的與其它軟件包的接口），及所用的建模技術有較好的發(fā)展前景等。

經過分析可知，I-DEAS最為合適。I-DEAS是美國SDRC公司開發(fā)的一套完整的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，其側重點是工程分析和產品建模，并且無縫集成了CAD/CAM/CAE三大模塊，這對以后的CAM/CAE分析節(jié)省了大量的CAD建模工作時間，可最大限度地復用系統(tǒng)創(chuàng)建的CAD模型。I-DEAS是第一個采用變量化建模技術的軟件包，其先進的超變量幾何（VGX—Variational Geometry eXtended）技術，既可進行全幾何約束的參數化設計，又可進行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設計。因此，決定采用I-DEAS作為CAD建模平臺。

3 I-DEAS典型零件的建模中的應用

本節(jié)利用I-DEAS平臺的優(yōu)點，克服上述典型零部件建模面臨的困難，逐一找到快速建模方法，大大加快了該型發(fā)動機的建模速度。

3.1 常用標準件的快速建模

任何大型裝配件都包含了眾多的標準件，一般的標準件都成系列，由幾個關鍵尺寸控制基本形狀。該型發(fā)動機所有標準件屬于AC組件，共有900多種標準件。

I-DEAS的超變量幾何（VGX）技術是在參數化技術的基礎上發(fā)展起來的，因此VGX也是基于參數化的，可以利用該技術很方便地建立系列化零件。下面介紹具體實現(xiàn)細節(jié)。

3.1.1 創(chuàng)建Catalogs

Catalogs是I-DEAS存放標準零件和特征的容器，I-DEAS安裝時就自帶了預定義的Catalogs，如Block,Cylinder,Cone,Sphere,Tube等，同時I-DEAS也提供了根據用戶需要創(chuàng)建自定義的Catalogs的功能。

本文根據該型發(fā)動機的特點創(chuàng)建了一個名為AC-Catalogs的自定義Catalogs。

3.1.2 添加標準件

創(chuàng)建了AC-Catalogs之后，就可以往其中添加標準件，如圖1所示，把一個螺栓以標準件添加到ACCatalogs中。在把標準件添加到AC-Catalogs之前必須參數化它們，參數化主要是為系列化零件提供關鍵參數尺寸。正如圖3所示的螺栓共有四個標準尺寸，把這四個標準尺寸添加到標準尺寸列表中，最后把它放入AC-Catalogs中，即創(chuàng)建了以這四個標準尺寸為基礎的螺栓系列零件，再根據需要還可以通過圖示的面板取出以前建立的標準件進行修改。

圖1 添加螺栓

3.1.3 使用標準件

使用標準件比較簡單和方便，直接通過Feature按鈕提取標準件，修改標準尺寸，即可創(chuàng)建所需要的零件。圖2是圖1建立的標準件修改了長度所得的新零件模型。

圖2 新螺栓

3.1.4 標準件的規(guī)劃

本文對AC組件按系列化要求進行了分類，共分為11類，對這11類分別進行了系列化，圖3為其中的三個系列。

圖3 規(guī)劃

3.2 發(fā)動機葉片的快速建模方法

利用I-DEAS提供的腳本語言（Program），編制了快速創(chuàng)建葉片的批處理程序(Program File)，大大加快了葉片的建模速度。

3.2.1 Program File介紹

Program File是I-DEAS提供的一個較低級的編程接口，其實就是一個類似腳本程序的批處理文件，它是I-DEAS命令集，是一個純文本文件，可以在IDEAS中通過錄制方式創(chuàng)建，也可以用一般的文本編輯工具創(chuàng)建及修改。它提供了創(chuàng)建變量和簡單的交互功能，如可以暫停腳本的執(zhí)行，輸入參數等。本文主要通過VB程序根據用戶輸入的坐標自動創(chuàng)建在IDEAS中畫樣條曲線的腳本文件 （即本系統(tǒng)的葉片截面）。下面介紹本文的實現(xiàn)方法。

3.2.2 葉片截面的自動建模

為了輸入方便，用VB開發(fā)了一個根據輸入坐標自動生成I-DEASProgram File格式的文本文件的實用工具。其界面如圖4所示。

下面是由Program生成器生成的I-DEASProgram File文件（其中一部分，文件名為DynamicProfile2.prg，低壓壓氣機第二級動葉截面）

圖4 界面

圖5為DynamicProfile2.prg文件在I-DEAS中執(zhí)行自動生成的低壓壓氣機第二級動葉截面圖。對圖5各截面進行放樣操作即可創(chuàng)建葉片的實體模型，因為放樣過程必須調整各線段之間的對應關系，操作比較復雜，而且沒有規(guī)律所以不易通過腳本程序實現(xiàn)。因此在用腳本得到截面的基礎上，本文通過手工放樣創(chuàng)建葉片實體模型。圖5通過放樣得到圖6所示的葉片模型。

圖5 截面

在反復實踐的基礎上，得到的發(fā)動機葉片快速建模法。實踐證明是高效可行的，而且極利于數據的保存和修改。

圖6 模型

3.3 空間管路的快速建模方法

充分利用I-DEAS強大的CAD建模功能成功探索了快速建立空間三維管路的技巧。

3.3.1 管路的快速建模

I-DEAS提供的管路構造方法是首先建立管路路徑（掃描路徑），通過掃描（Sweep）方式形成管路，掃描路徑可以是二維和三維空間曲線，曲線由坐標輸入形成也可以采用樣條曲線和參數曲線方程的形式，如何快速地構造掃描路徑成為空間管路造型的關鍵。在基于I-DEAS的基礎上，本文開發(fā)設計了一個空間管路造型輔助工具。其構成框圖如圖7所示，進行管路構造時，根據管路初始設計，選取構造方式。對一般簡單的管路 （空間點易于捕捉），直接通過IDEAS提供的管路構造模塊（Sweep方式）進行造型；對較復雜的管路，調用管路構造輔助工具，進行人工交互式造型，通過提供的管路線段起點坐標，彎頭半徑，由系統(tǒng)指示的箭頭選取和設定路徑方向進行中心線構造。構造過程兩種方式隨時可以轉換。

發(fā)動機的管路一般由直管、彎管和彎頭組成，彎管指中心線由圓弧組成，因此管路造型系統(tǒng)只針對直觀和彎管的快速造型。如需要構造復雜的管路，只需要調用I-DEAS的空間曲線模塊（3Dspine三維樣條等）構造管路掃描中心線即可。

同樣，為了進行參數化建模，可以將常用彎管、連接件建立不同結構尺寸的參數化特征庫，以方便修改和調用。另外，根據管路問題的需求，建立一個常用管子的數據庫，并對管子數據庫進行有效管理。

3.3.2 管路的干涉檢查

實際管路布置時是不允許管路之間、管路與其它零件之間發(fā)生干涉的。干涉也是實際操作過程中根據管路布置圖布置管路所遇到的最大問題。在IDEAS中構建管路時，I-DEAS也不會自動檢測管路是否有干涉，從而阻止用戶創(chuàng)建該管路。但I-DEAS單獨提供了干涉檢查模塊。利用此模塊可根據布置要求，設立管路最小間隙控制值，當空間管系中相鄰管之間距離小于此值時，裝配圖中的相應位置以高亮度顯示，同時可以利用Info和Measure功能，測量查詢各有關點的間隙情況。本系統(tǒng)利用I-DEAS干涉模塊較好地解決了管路干涉問題。圖8是兩管發(fā)生干涉的情況，左邊是右邊的管子發(fā)生干涉的情況。

圖7 流程圖

圖8 干涉

3.4 火焰筒的實體建模

圖9為火焰筒實體模型。由圖可見該火焰筒由四大部分組成：旋流器、隔熱屏、混合器及其它附件。圖10為各部件按裝配順序的分解圖。旋流器結構復雜，在建模過程中使用的特征較多，如旋轉拉伸、放樣、陣列等，而且要多次運用布爾運算，但在IDEAS中較復雜的布爾運算容易失敗。為了確保布爾操作成功（操作矩陣非奇異），在建模時應該留有一定的余量，特別是在放樣曲面相交處。混合器的結構并不復雜，但是其截面線型較復雜，而且各截面之間過渡性不是很好。這樣的截面在放樣過程中曲面容易發(fā)生脊鄒、走樣等問題。為了解決此問題，必須合理分割每個截面的線段，正確對應各截面的線段。因為放樣主要通過在各截面的對應線段間產生空間樣條包絡線，再用曲面擬合包絡線，生成實體。因此各截面線段的對應關系很重要。隔熱屏結構和建模都比較簡單，主要通過旋轉截面生成。上面的小孔通過圓周陣列特征而成。陣列和拷貝不同，陣列只產生基特征的一個引用而不生成新的特征。因此基特征的改變也會作用于被陣列的特征。

圖9 火焰筒

圖10 火焰筒主要零件圖

布爾運算涉及兩個零件，用于把一個已經存在的零件作為另一個零件的特征。在I-DEAS中，布爾運算主要分為：

1）合并：將一個零件加在另一個零件上，產生一個新零件。

2）切除：用一個零件去切除另一個零件，產生一個新零件。

3）相交：使兩個零件相交，相交部分產生一個新零件。

4）分割：用一個零件去分割另一個零件，使該零件分割成兩個或更多部分。

5）切割表面：用一個零件的幾何圖形去切割另一個零件的表面。

3.5 一、二級渦輪動葉實體建模

渦輪一、二級動葉的結構和建模過程類似，下面以第一級渦輪動葉為例介紹復雜葉片的建模方法。圖13是第一級渦輪動葉的實體造型 （為了方便觀察葉片內部的復雜結構，葉片被調成了帶有一定的透明度）。

由圖11可見第一渦輪級動葉，不僅外形曲線復雜，為了保證足夠強度和最大的散熱效果，其內部結構也非常復雜。在此葉片的建模過程中遇到的最大問題是，特征的定位和特征的布爾操作。因為要做葉片里面的結構，必須對特征進行定位。然而葉片外型為放樣曲面，很難在其上面選擇適當的參考點建立工作平面。另外，因為葉片外型為放樣實體很難對其布爾操作（I-DEAS中對由樣條線、函數曲線生成的實體或通過放樣生成的實體很難對其進行布爾操作）。本文在葉片的建模過程中主要利用拉伸、放樣和布爾操作等技術。針對葉片內部特征定位困難的問題，在葉片放樣前首先建立多個參考坐標系，每完成一步特征操作，保留其關鍵點、線、面為下一步操作提供基準，采用步步為營建立參考坐標系的方法較好地解決了葉片內部特征定位較難的問題。針對布爾操作不易成功的問題，在葉片建模過程中盡量少用布爾操作，對于不得不使用布爾操作的地方，在工程誤差允許范圍內，給布爾操作的特征留有一定的余量，并且盡可能地避免布爾操作特征表面相切。

圖11 第一級動葉

4 發(fā)動機整機的虛擬裝配

在完成零部件的實體建模，利用I-DEAS的裝配模塊 （Assembly）可以在I-DEAS平臺上實現(xiàn)虛擬裝配。本文利用I-DEAS的裝配模塊實現(xiàn)了該型發(fā)動機的整機虛擬裝配。通過裝配不僅可以觀察整機的概貌，而且還可以發(fā)現(xiàn)零件建模中的錯誤、通過裝配件的干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)裝配件的發(fā)生干涉情況、進行裝配件的機構運動仿真分析等。

4.1 發(fā)動機的整機裝配

如圖12所示為該型發(fā)動機的總體裝配模型。裝配件是從零件的一個實例創(chuàng)建的而不是零件本身，因此改變裝配件不會影響零件，而在建模模塊中零件的改變對裝配件產生影響，裝配只是把零件按照裝配樹的結構組織在一起。因此本文為了保證數據的一致所有修改都在建模模塊中對零件進行。

圖12 某型發(fā)動機實體造型

裝配過程中要建立合理的裝配約束關系，如圖13是I-DEAS裝配模塊所有可用的裝配約束。

圖13 裝配約束

合理規(guī)劃裝配樹結構也是非常重要的，本文裝配樹結構基本上根據設計圖紙采用的裝配關系規(guī)劃的。圖14為低壓壓氣機裝配模型和裝配樹結構（其中的一部分）

4.2 干涉檢查

干涉檢查主要是查看裝配件之間的干涉關系，顯然裝配件如果有干涉，實際安裝時是裝不上去的。在發(fā)動機等大型復雜設備研制和設計改進階段，裝配件的干涉檢查對及時發(fā)現(xiàn)設計錯誤是非常有用的。

圖14 壓氣機模型

4.3 機構運動仿真

在裝配的基礎上，可以直接在裝配模塊或機構仿真模塊中進行機構運動分析。利用機構運動仿真可以模擬燃氣輪工作時各零部件的運動情況和約束關系。并可生成發(fā)動機工作時的演示動畫。由于機構仿真不是本文的主要內容，因此本文對發(fā)動機的機構運動仿真不做深入討論。

5 結語

本文利用I-DEAS平臺，克服了某型發(fā)動機實體建模的困難，建立了數字樣機，實現(xiàn)了發(fā)動機的數字化工程。此數字樣機是虛擬發(fā)動機的基礎，所創(chuàng)建的原始數據也為以后對此型發(fā)動機進行下一步設計改進和性能分析打下了基礎。

[1]汪成為,高文,王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實)技術的理論、實現(xiàn)及應用.清華大學出版社，1996.

[2]劉子建,黃紅武,宗子安.計算機輔助設計(CAD)原理及應用技術.湖南大學出版社,1997.

[3]趙沁平.分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境－現(xiàn)代戰(zhàn)爭的的實驗場.系統(tǒng)仿真學報，2001.

[4]劉大響，陳光等.航空發(fā)動機－飛機的心臟.航空工業(yè)出版社，2003.