基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型研究

李鑫，翟建军，黄翔

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型研究

李鑫，翟建军，黄翔

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

为了保证典型曲面钣金特征的数据信息不会随着曲率的不同而发生改变，提出了一种由程序驱动的基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型技术。分析了复杂曲面钣金零件的基础模型建模要求，并在总结造型方法整体框架的基础上，给出了实体建模与三维参数化设计的具体实现方法。通过对曲面加强槽的三维参数化造型，验证了该方法的准确性与通用性。

复杂曲面；实体建模；参数化设计；加强槽

0 引言

随着数字化设计制造技术以及物理、数学等学科的不断发展，曲面类钣金零件作为能够使得飞机同时获得高结构效率和优良性能的基础零件之一，已经在飞机结构中得到大量的运用。CATIA作为航空设计领域通用的三维设计软件，虽然针对钣金零件提供了专用的航空钣金设计模块， 但它内部所有特征的使用都要求钣金零件必须在该模块内生成，且只适用于平板类钣金零件的设计，在实际的生产应用中受到极大的局限[1]。

传统的曲面类钣金零件的许多构件都具有相似性，其建模过程需要大量的时间[2]。设计人员在设计过程中由于使用的习惯和侧重点不同，在利用CATIA零件设计模块和创成式外形设计模块中的功能组合来进行实体建模的过程中，一方面由于零件特征的复杂性，绘制的图形不具备很好的可修改性，无法体现结构件规律性，不利于设计知识的继承、重用以及标准数据的管理。另一方面，由于复杂曲面钣金零件特征的内部尺寸相互约束，在三维空间中无法完全实现标准化，难以保证工作的准确性，尺寸数据的微小失误即可导致因强度不足而造成的破坏。

在对当前三维造型方法进行深入分析的基础上，以典型曲面类钣金零件特征为研究对象，通过CAA (component application architecture)组件应用架构尺寸参数程序驱动，提出实现面向复杂曲面钣金零件高效三维参数化造型的方法，并给出了其实现的具体过程。研究结果对于提高复杂曲面钣金零件建模效率与精度以及缩短优化设计周期具有重要意义。

1 基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型解决方案

在基于特征的三维参数化造型中，特征的描述是核心要素，特征描述应该包括几何形状的表示和相关尺寸的处理机制以及特征高层语义信息的表示。特征的曲面钣金零件三维参数化造型就是要将特征实体造型与三维参数化设计有机地结合起来[3]，使得特征数模完整、准确且具有可复用性和封装性，其总体解决方案如图1所示。

图1 总体解决方案

典型钣金特征在曲面钣金零件上的实现，需要结合自顶向下设计，参数化设计和关联性设计的诸多优点，使得曲面钣金零件上的原有结构与新添加的钣金特征在知识的表达上能够相互统一，这就需要筛选合适的特征定位基准(点、线、面、控制变量等)，作为建模的约束基础。

复杂曲面钣金零件特征在实体建模筛选定位基准时会有多种实践方案，为了数据管理和应用上的方便，需要将面与线的默认方向与建模的参考方向关联为一致，用最少的定位基准来实现建模要求。为满足曲面钣金零件特征的灵活性要求，在详细的实体建模中，可以选择只关联定位基准，这样可以避免过多的参考，而非关键元素在关联设计时生成的是只有子关系而没有父关系的元素，不至于造成数模在发布定位基准时的混乱。这样做的好处是，在设计的同时可以检查设计的合理性，加速了产品的设计效率。

2 实体造型

三维几何模型描述特征的数据信息一般可分为几何尺寸和拓扑结构两方面。几何尺寸是指具有几何意义的点、线、面等的位置坐标、长度、面积等的数据值或度量值。拓扑结构反映的则是形体的空间结构，描述了构成三维几何模型的父特征之间、父特征与低层几何元素或其他非几何信息之间的相互约束或相互引用关系的属性[4]。

三维几何模型的几何尺寸隐含着从特征依附的父特征继承下来的参数尺寸，隐含尺寸的参数值以自动和动态的方式派生出来，不能由设计者直接输入，它与三维几何模型的拓扑结构形成映射关系。基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型方法不能破坏模型的形状与各造型特征间的空间依赖关系，因此在特征的实体造型中，除了要关联父特征及其属性以及父特征之间的关系以外，还必须保证典型钣金特征的拓扑结构不能发生改变[5]。如图2所示，在曲面钣金零件上添加加强槽时，槽的两头是半椭球形构型，由于半椭球形构型在三维空间难以实体造型，在实际的工程应用中，通常会采用半圆球形构型代替，无法保证加强槽的拓扑结构保持不变。

图2 加强槽

2.1 特征曲面抽取

在具有复杂曲面外形的钣金零件上添加特征时，组成钣金零件表面的各曲面片都隐含着特征信息和工程信息，如微分性质、力学性能等。如果在建模过程中掩盖了这些信息，那么即使能够达到满意的精度和外观品质，也会对钣金零件的变形设计和力学分析等后续处理带来很大地不便[6]。

在点的连贯性和曲率的相似性的基础上，为了保证钣金零件上固有的特征信息不变，需要通过曲面抽取技术将这些信息提取出来，使得整个曲面抽取的拓展类型为切线连续，从而提高了抽取曲面的修改能力，增强了曲面的可复用性和可优化性。

2.2 钣金弯边贴合

为了避免在复杂曲面上对钣金特征进行三维造型，维持钣金特征的固有拓扑结构不变，需要借助CATIA航空钣金设计模块中的功能，将模块中产生的母板(WEB)与上一步中抽取的曲面结合，通过方向调整和参数修改，产生贴合在抽取曲面上的钣金弯边。钣金弯边与抽取曲面既相互独立，又相互关联，一方面可以直接在抽取曲面上绘制草图，便于钣金弯边直接引用。另一方面，抽取曲面上的特征定位可以直接确定，不需要后续的修改和移动。

2.3 草图绘制

在绘制草图时，CATIA只确认其默认约束，没有被约束的线条显示为白色，这些白色线条虽然能够生成实体，但是与其他的点、线、面没有关联，在重复调用时不能够达到理想的设计要求，因此需要用约束来进行控制，这些约束可以是尺寸约束，也可以是几何约束。

通常情况下，反应草图的约束关系与线性方程组形成映射关系，用矩阵表示为

或AXB=D

(1)

其中，X∈Fn×s，表示草图参数矩阵；A∈Fm×n，表示尺寸约束矩阵；B∈Fs×t，表示几何约束矩阵；D∈Fm×t，表示常数矩阵。A+和B+表示矩阵A和B的Moore-penrose广义逆矩阵，矩阵方程AXB=D有唯一解的充分必要条件是：

AA+DB+B=D

(2)

且

(3)

其具体求解过程可参见文献[7]。如果尺寸约束矩阵A和几何约束矩阵B均为非奇异矩阵即|A|≠0且|B|≠0，就可以满足上述条件使得方程组存在唯一解，因此绘制的草图模型必须为全约束模型。

2.4 特征曲面拼接

通过在特征曲面上对草图进行约束和定位，根据实际需求，可以运用CATIA航空钣金设计中的功能来生成保持固有拓扑结构不变的曲面钣金特征。与特征曲面抽取一样，将带有曲面钣金特征的弯边曲面抽取出来形成一个与特征曲面贴合在一起的曲面块。曲面块包含新的表示产品设计意图的特征信息，需要通过布尔运算去除掉特征曲面上与它重叠的部分，并在此基础上将曲面块与特征曲面拼接在一起，保证整个特征曲面的曲率连续性。

特征曲面拼接是整个实体建模的重要研究内容，特征曲面往往无法由一张曲面进行完整描述，而是由多张特征曲面组成，从而保证了曲面钣金特征之间的相互独立性。最后，将拼接好的特征曲面增加厚度即可获得理想的曲面钣金零件。

3三维参数化设计

在知识工程的基础上，通过对特征知识的表示、利用和获取能够在一定程度上实现三维参数化设计的快速更改，且更改后的设计知识仍具有继承性，此外，还能实时地监督设计过程，检验是否符合要求，并提出适当的建议。

在图3所示的三维参数化设计内部关联中，曲面钣金特征实体模型中包含着特征尺寸参数、抽取曲面和曲面块的内联参数以及曲面边界参数等，在进行参数化设计时需要创建与这些参数形成一一映射的参数，并且根据设计要求将这些参数用公式关联起来，形成关系式。

图3 三维参数化设计内部关联

此外，根据实际的设计需求，可以通过建立规则，关联设计表和创建VB脚本等来完成相应的特征驱动。最后，利用CATIA的检查机制，来设定特征参数的分布范围，通过弹出警告窗口来对曲面钣金特征的所有参数进行工程性约束，从而实现人机对话。

4 特征发布

在曲面钣金零件特征的实体建模和三维参数化设计过程中，通过对特征定位基准的反复筛选，可以确定出特征的最优化方案。在最终的特征发布时，根据特征的兼容性和集成度以及草图的可修改性来确定特征的发布类型。发布类型的特点如下：

1) 超级副本的兼容性很强，可以在CATIA的所有模块中复现，当被调用的时候，其整个建模过程都将在文档树中显示出来，便于用户熟悉其具体的实现过程。更为重要的是，超级副本发布的特征可以修改草图，灵活性比较高。

2) 用户自定义特征不能应用于CATIA的所有钣金模块，而且对用户的建模要求比较高，特征相互之间的关联及约束都需要比较完善，即用超级副本能够发布的特征常常会在用户自定义特征中不能实现，而且用户自定义特征发布的特征草图已经被封装，相当于CATIA自带的任何特征，集成度很高。

5 应用实例

本实例以知识工程(knowledge based engineering , KBE[8])为基础，在CATIA零件设计模块、创成式外形设计模块和航空钣金设计模块的环境下，实现面向曲面的加强槽特征设计。

5.1 实体建模

由于CATIA航空钣金设计模块中的所有功能的使用都要求钣金母板(WEB)是从自身模块中产生的，而面向复杂曲面的钣金零件通常不能够在该模块内形成，给设计人员带来了极大的不便。为了解决航空钣金设计模块与其他非钣金模块不兼容的问题，需要以创成式外形设计模块中产生的曲面为桥梁，既要维持曲面加强槽特征的拓扑结构不会改变，又要保证整个建模过程高效简化且通用性高，图4所示为曲面加强槽的实体建模。

图4 实体建模

5.2 三维参数化设计

通过自定义变量值的范围，组成特征元素之间的依附关系来实现特征驱动，有效地增强了三维参数化设计的可靠性，极大地方便了曲面特征的修正和改良，从而使产品设计更加智能化，图5所示为曲面加强槽的三维参数化设计。

图5 三维参数化设计

5.3 特征发布

特征在发布时除了要将实体建模的过程发布以外，还需要将三维参数化设计中新创建的参数、关系式、规则以及检查发布出来。在特征定位基准的选择上，可以通过调整建模过程的先后顺序来实现，如图6所示为曲面加强槽通过超级副本来进行特征发布。

图6 特征发布

6 结语

保证特征的固有拓扑结构不变对于曲面钣金零件在实际中的应用具有重要的研究与应用意义。本文在分析当前曲面钣金特征实体建模的基础上，根据曲面与实体的一致性对应关联，利用CATIA航空钣金设计模块中的典型功能，提出了基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型方法，既保证了钣金特征的整体准确性，又实现了对设计知识的完整表示，为复杂曲面钣金零件在建模方面做了有益的探索。

[1] 孙中涛，王华明.CATIA 环境下航空钣金产品的标准化设计[J]. 机械制造，2011(49) :22-25.

[2] 韩志仁，陶九超，陈帅.飞机桁条快速设计技术研究[N]. 沈阳航空航天大学学报，2011(28):1-4.

[3] 罗海玉，牛永江.基于特征的机械产品三维参数化造型研究[J]. 机械研究与应用，2005(18):100-101.

[4] 应济，张万利.基于特征的参数化建模技术的研究[J]. 机电工程，2003(20):4-7.

[5] 程才，王启付.基于知识的三维参数化建模方法研究[J].机械科学与技术，2003(22): 1049-1052.

[6] 吕震. 反求工程CAD建模中的特征技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2002.

[7] 魏金宝. 矩阵方程AXB=D有唯一解的充分必要条件[J]. 甘肃联合大学学报(自然科学版)，2006(20):20-22.

[8] Bravo-Aranda G. ,Martin-Navarro A. ,Hernandez-Rodriguez F. Knowledge-based system development for assisting stru-ctural design[J].Advances in Engineering Software,1999,30:763～774.

Research on Feature-based 3D Parameterized Modeling of Curved Face Plate Work Piece

LI Xin, ZHAI Jian-jun，HUANG Xiang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016, China)

In order to guarantee the data information of typical feature of curved face plate work piece against change with different curvature ,this paper proposes a technology of researching on feature-based 3D parameterized modeling of curved face plate work piece through program drive. It also analyzes the modeling requirements of the basic model of complex curved face plate work piece under the demands of 3D parameterized modeling and on the basis of the summary of the whole frame of modeling method, presents the concrete realization method of solid modeling and 3D parameterized design. A strengthen slot design is shown and the accuracy and applicability of this methed is proved at the end of this paper.

complex curved face; solid modeling; parameter design; strengthen slots

李鑫(1986-)，男，新疆塔城人，硕士研究生，主要研究方向为数字化设计与制造。

TH12；TG38

B

1671-5276(2014)02-0024-03

2012-12-18