基于CATIA的杠桿加載系統參數化設計方法

吳宇，王志國

(南京航空航天大學 機電學院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

飛機在飛行時受到的載荷主要是分布在飛機表面的空氣動力載荷，在試驗室內完全復現這種空氣動力尚不可能[1-2]。因此，在具體飛機靜力試驗中，往往將這些氣動載荷折算成一些載荷加載點并在這些點上施加集中載荷。載荷加載點數量很大，而試驗中的作動筒數量則十分有限[3]。因此在實際試驗中，需要通過加載系統實現由一個作動筒向飛機構件上多個載荷加載點施加載荷。其中，杠桿加載系統作為應用最廣的加載系統，在設計過程中，仍然存在工作量大、效率低等問題。陳江寧[4]研究了杠桿加載系統連接關系設計的方法。據此，可以實現加載系統連接關系設計，但是建立加載系統中參數、形狀各異的組件幾何模型仍然是繁復的工作。因此，利用計算機輔助設計技術，設計一套簡潔高效的加載系統數模，進而實現杠桿加載系統參數化生成，具有十分重要的現實意義。

CATIA是航空工業領域應用較多的CAD軟件，其參數化功能大量應用于設計工作[5]。本文介紹了基于CAA(component application architecture)技術的杠桿加載系統參數化建模方法，并使用RADE(rapid application development environment)技術開發了杠桿加載系統參數化軟件。軟件實現了杠桿加載系統中杠桿以及連接件參數化生成、自動裝配以及調整功能，可以方便快速地實現杠桿加載系統的參數化設計與方案展示。

1 CATIA二次開發技術

一般而言，對CATIA軟件進行二次開發有兩種方式：1)自動化對象(automation API)編程技術；2)CAA技術。前者是交互方式的定制開發，而后者是基于組件的定制開發。

自動化對象編程技術使用VB語言進行編程，較為簡單易上手，依靠程序調用CATIA中已有的功能實現自動交互。這一技術通過編制程序去控制另一種程序，再間接地通過調用方法、設置屬性的方式來操作、處理數據。因此，采用該方式開發的軟件工作效率很低。

CAA技術使用C++語言進行編程，功能更加全面。這種開發方法的實現依賴于其中的RADE技術和不同的CATIA接口函數。RADE技術以Microsoft Visual Studio 2005為載體，在限制Visual Studio部分功能的同時，將二次開發工具與編譯器集成其中，組成了一個擁有完整編程工作組的可視化集成開發環境。CATIA接口函數則采用面向對象的程序設計思想，使用組件對象模型與對象連接及嵌入技術設計而成。因此，采用CAA技術開發的軟件，更易維護，也更易拓展。

為了保證軟件的工作效率與可維護性，本文采用CAA技術對CATIA進行二次開發。CAA技術利用RADE技術實現軟件界面設計，可以將軟件產品很好地融入CATIA軟件環境中；同時，該方法通過CATIA接口函數直接獲取、處理數據，效率更高。

2 杠桿加載系統參數化

單個加載點的載荷一般遠小于作動筒的拉力。因此，一般先將加載點用杠桿兩兩連接起來，根據杠桿原理得到兩個加載點的合力位置，通過一個杠桿實現對兩處載荷的加載；同樣，可以用一個杠桿對兩個杠桿的載荷進行加載。依此類推，可以得到具有多級杠桿的杠桿加載系統，利用一個作動筒實現飛機構件上多個載荷點的加載。

2.1 杠桿加載系統組成

杠桿加載系統中使用的零組件可以依其功能分為杠桿、連接件和緊固件、配重件。如圖1所示，即是一個由3個杠桿與7個連接件組成的二級杠桿加載系統。

圖1 杠桿加載系統組成

杠桿可按其兩側力臂是否可調分為通用杠桿和專用杠桿。如圖2所示，專用杠桿在兩側裝配位置開通孔，而通用杠桿則在兩側與連接件裝配處開長孔。因而通用杠桿可以在同型號飛機試驗結束后進行回收，在其他型號飛機試驗時重復使用；而專用件在同型號飛機試驗結束后則無法繼續使用。因此在大型飛機結構試驗中，仍較多地使用通用杠桿。

圖2 杠桿組件

連接件用于作動筒和加載系統，加載系統各級杠桿間以及加載系統和膠布帶間傳遞拉力。連接件依據其工作位置可以分為末級連接件與非末級連接件。末級連接件在加載系統與膠布帶間傳遞拉力，包括松緊拉環和二孔拉環。末級連接件的長度可以在一定范圍內進行調整，具體的型號選擇由膠布帶情況決定。非末級連接件包括拉板、松緊螺栓、松緊螺套、鋼繩。其中，拉板不允許上下級杠桿間存在角度偏差，因此較少在實際試驗中使用；松緊螺套可以在一定范圍內調整長度；而鋼繩則用于上下級杠桿間距離過大的情況。

杠桿加載系統中除上述介紹的主要組件外，還有螺栓、螺母、軸套等用于將連接件與杠桿安裝在一起的緊固件以及重物、滑輪等配重件。這些零件的選型往往在加載系統設計完成后進行。如果在設計加載系統時，就確定其具體型號，將是非常占用時間的，同時也不具有實際意義。因此，在參數化杠桿加載系統時，往往不考慮固定件與配重件，同時也省略了杠桿、連接件中如螺紋、軸套、螺母等細節特征。

2.2 杠桿加載系統建模

通常產品參數化設計有兩種方式：

1)無CATIA數模實例參數化設計。在該模式下，完全通過編程的方式，對零組件進行建模。用戶輸入參數，調用編制好的程序，產生需要的數模。此方法完全采用程序描述零組件建模過程，開發量大，且程序語句與設計者的建模思路密切相關，后期維護困難。故該方法主要用于無法完全用參數表達的零組件快速建模，如貼合于飛機外表面的膠布帶模型。

2)有CATIA數模實例參數化設計。此方法適用于可完全參數化的零件模型，利用CATIA知識工程模塊中的參數、公式和設計表配合編程的方式對已實例化的數模進行參數驅動。用戶通過選擇零組件型號，間接地輸入參數，調用程序驅動已實例化的數模更新，得到需要的數模。這種參數化建模方法特別適用于結構形式不變的零組件開發，如標準件庫等。

因此，選用后一種方法對杠桿加載系統進行參數化設計：首先建立組件的一個具體數模；然后使用知識工程中的參數與公式功能約束其中的可變尺寸；接著利用設計表功能生成該組件的尺寸參數表；最后在該表中填入該組件其他型號的尺寸，得到如圖3所示的數模。

圖3 松緊螺栓數模

2.3 裝配約束

在使用杠桿加載系統組件數模時，除了需要根據實際計算結果改變組件的型號，還需要約束其具體位置，這就需要在數模文件中建立裝配特征與裝配約束。一般希望裝配特征與裝配約束在滿足定位需求的前提下盡可能地少。

一個連接件往往需要保證其上部圓孔或圓環與杠桿一側螺栓軸套進行裝配，其下部圓孔或圓環與下級杠桿中部的螺栓軸套或膠布帶中的鋁棒進行裝配。若完全按照裝配關系設計連接件的裝配約束，則需要構建四組裝配特征，其中兩組用于約束連接件位置，兩組用于約束連接件上下兩部分的方向。但是在實際加載系統快速設計中，一般將連接件簡化為一個零件整體，沒有必要同時考慮連接件上下兩部分的方向。因此，只需要三組裝配特征就可以對連接件進行約束：兩組裝配特征約束連接件的位置，另一組裝配特征約束連接件的方向。

類似地，杠桿在安裝時中間孔通過螺紋件和軸套與上級連接件相連，而左側和右側長孔通過螺紋件與軸套分別與兩個不同的下級連接件相連。可以采用三組裝配特征約束杠桿的位置，一組裝配特征約束杠桿的方向。但是，該種約束方式顯然是過約束：杠桿的中心裝配點位置可由其兩側裝配點位置與兩側載荷大小通過杠桿原理計算獲得。因此，采用兩組裝配特征約束杠桿位置，一組裝配特征約束杠桿方向。具體裝配約束如下表。

表1 杠桿加載系統裝配約束關系

3 軟件應用舉例

以某機翼結構靜力試驗為例，演示杠桿加載系統參數化建模軟件的應用效果。該結構共23處加載點，使用2個作動筒進行加載，共有44個連接件與21個杠桿。先輸入各級杠桿的位置與連接關系，如圖4所示。然后點擊“生成”按鈕自動插入杠桿加載系統的組件；再點擊“裝配”按鈕，將各組件安裝至對應的位置，如圖5所示。

圖4 輸入的組件位置與連接關系

圖5 生成的杠桿加載系統

4 結語

本文介紹了基于CAA技術的飛機靜力試驗杠桿加載系統參數化建模方法，包括杠桿、連接件的參數化建模方法和裝配方法。利用RADE技術編寫了軟件界面，通過該軟件可以依據杠桿連接關系完成杠桿加載系統的參數化建模。對一個飛機部件試驗中杠桿加載系統建模的應用表明：所開發軟件界面友好，設計人員可以快速地實現加載系統建模。同時，當設計的加載系統不理想時，可以快速更改設計參數，迅速生成新的加載系統模型，能明顯提高工作效率、縮短設計周期。