基于特征的典型零件參數化設計

陳運嘉庚

（西北工業大學動力與能源學院飛行器動力工程專業，陜西 西安 710068）

1 引言

航空發動機結構設計是計算與實驗相結合，理論與經驗相結合的復雜的過程。伴隨著CAD/CAE技術在航空發動機領域內越來越廣泛的應用以及參數化設計的發展，國內外已有許多學者將參數化建模引入發動機的設計和分析過程中，并對此進行了大量研究。本文是基于一個成熟的花鍵、圓弧端齒、渦輪軸設計方案，引入參數化設計思想，提出其快速建模的方法，以滿足工程設計中的需求，降低設計過程中反復修改尺寸帶來的重復建模工作量，在此基礎上整理已有程序，為渦輪設計生成一個典型結構件建模系統。

2 花鍵、圓弧端齒、渦輪軸結構形式及特點

2.1 花鍵及其結構設計

花鍵在航空發動機壓氣機和渦輪中是很常用的一種零件，它主要借助鍵齒連接傳遞扭矩。本文主要討論廣泛應用于航空發動機上的漸開線花鍵。繪制花鍵主要參數有：模數m、齒數z、壓力角α、大徑De，內花鍵的齒根圓或外花鍵的齒頂圓的直徑、小徑 Di，內花鍵的齒頂圓或外花鍵的齒根圓的直徑以及分度圓直徑 D。壓力角α可以取30°、37.5°和45°；齒根分為平齒根和圓齒根。根據三種齒形角和兩種齒根規定了四種基本齒廓，在對花鍵進行參數化建模時，四種齒廓作為四種拓撲結構供用戶單項選擇，內外花鍵形式作為兩種拓撲結構供用戶單項選擇，用戶僅僅需要輸入模數m、齒數z、拉伸起始位置和拉伸終止位置即可，其余的參數可以通過這些參數計算得出。

2.2 圓弧端齒及其結構設計

圓弧端齒是一種特殊結構形式的端齒盤，其輪齒呈弧形，由專用機床磨削加工而成，本文進行參數化建模研究的是兩側齒面不同的固定式、單排結構形式的圓弧端齒。圓弧端齒的主要設計參數包括圓弧端齒內外徑、齒寬、齒數和模數、齒頂倒角、過渡圓弧設計等。選擇圓弧端齒外徑時推薦兩種方式：一種方式是利用扭矩-端齒外徑經驗關系曲線圖來選擇端齒外徑，第二種方法是根據公式進行計算。齒寬常常選為圓弧端齒外徑的0.125倍，以保證齒面輪徑向的弧度合適。如果端齒外徑已經確定，那么可以根據徑節確定齒數。齒頂倒角高由式T=f2×m確定；齒頂倒角推薦角度范圍為20°～30°。

2.3 渦輪軸及其結構設計

對輸出軸做輸出功的渦輪稱為動力渦輪，動力渦輪分為定軸渦輪和自由渦輪兩種，真實的自由渦輪軸上包含小孔、倒角和套齒等小尺寸結構。考慮這些細節的精細建模可能因為分網等原因使得計算結果失真，因此，參數化模型時對結構進行部分簡化。不考慮套齒、花鍵、軸孔等結構特征的簡化渦輪軸，可視作一個經復雜截面回轉360°而成的實體。

3 花鍵、圓弧端齒渦輪軸的參數化設計

3.1 花鍵的參數化建模

首先對花鍵進行手動建模，對UG進行二次開發。根據上一節提到的花鍵建模所需參數，設計出MFC對話框，作為參數化建模的人機交互的用戶界面；對輸入尺寸驅動參數的編輯框插入成員變量；聲明、定義諸如拓撲結構所對應的參數及繪圖所需的函數；建立草圖，再經過一系列函數及程序的調用，完成特征創建，最后得到給定條件的花鍵。

3.2 圓弧端齒的參數化建模

參照實際加工過程，完成圓弧端齒的手動建模，根據上一節提到的圓弧端齒建模所需參數，設計出MFC對話框，作為參數化建模的人機交互的用戶界面；對輸入尺寸驅動參數的編輯框插入成員變量；聲明、定義諸如拓撲結構所對應的參數及繪圖所需的函數；生成圓弧端齒底座，即帶孔圓臺；通過函數的調用生成圓弧端齒的三個齒形面，對生成的三個面進行縫合，再通過修剪實體修剪出該實體；將修剪出的實體進行陣列，與前面生成的帶孔圓臺進行布爾求差得到圓弧端齒。

3.3 渦輪軸參數化建模

首先對渦輪軸進行手動建模，對UG進行二次開發。根據上一節提到的渦輪軸建模所需參數，設計出MFC對話框，作為參數化建模的人機交互的用戶界面。然后，對輸入尺寸驅動參數的編輯框插入成員變量；聲明、定義諸如拓撲結構所對應的參數及繪圖所需的函數；利用函數建立草圖，創建特征（回轉）將第一步生成的渦輪軸草圖以X方向（即渦輪盤軸向）為旋轉軸，旋轉360度，即可生成渦輪軸的三維圖，對鍵槽草圖進行拉伸和陣列，創建鍵槽。

4 參數化建模系統的建立

4.1 參數化建模

本文所包含的參數化的建模是通過UG軟件二次開發實現，并通過編寫二次開發程序完成人機交互平臺，使參數化建模通過這個人機交互平臺實現，設計人員將尺寸驅動參數的具體量輸入到用戶界面中的相應位置，平臺通過二次開發程序將模型輸出到UG中，實現建模。二次開發使用UG API系統，支持C，C++語言。首先，設置Windows環境變量，然后逐一更改新建項目的屬性：包括附加目錄、運行庫、附加庫目錄、附加依賴項等。

4.2 各特征設計模塊集成應用

本文開發的渦輪盤典型特征參數化設計模塊所適用的CAD平臺為UG NX，編制語言為VS編程平臺下的MFC對話框技術。實現功能為在UG中呼出自行設計的用戶操作界面，按照界面中的指示輸入設計此結構所需要的尺寸及位置定位參數，程序執行完畢后自動生成滿足設計要求的幾何模型。VS平臺開發UG參數化建模二次開發程序時，需要對程序項目屬性進行設置，保證其包含UGOPEN中所用到的函數庫。各設計模塊程序在VS平臺編譯運行結果為DLL格式應用程序文件，此文件可在UG中直接菜單瀏覽執行，也可以制作為用戶菜單，將各參數化設計模塊功能集成于UG人機交互界面菜單中。

結語

本文將參數化設計思想引入到花鍵、圓弧端齒、渦輪軸結構設計中，提出并建立了一種快速建模的方法。該方法旨在滿足工程設計中的需求，降低設計過程中反復修改尺寸帶來的重復建模工作量，將設計人員從大量的重復勞動中解放出來。

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