基于CATIA技术的飞机典型零件变型设计

刘　明，郝　博，孙胜利

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)



基于CATIA技术的飞机典型零件变型设计

刘明1，郝博2，孙胜利1

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)

摘要：为提高产品设计效率，研究了组件框架技术，借助CATIA二次开发平台，在参数化建模技术的基础上实现对飞机典型零件的变型设计，快速提取特征信息，实现智能化操作.利用面向对象的程序语言，开发出与CATIA系统集成的变型设计模块，能够提高飞机典型零件的设计效率.以飞机典型零件机加件中的拉杆为例，对变型设计方法的验证表明，利用CATIA二次开发技术以及CAA编程工具，能够对飞机典型零件参数化建模，实现变型设计.

关键词：CAA；变型设计；飞机典型零件；二次开发

随着科技的发展，大批量定制已成为当今世界的主流生产方式.面向生产的大批量定制方式，变型设计推动了制造企业的技术进步.企业产品的变型设计指根据商家客户需求，改进产品参数与尺寸的关系，确定产品的最终设计方案.飞机典型零件是飞机结构的基本组成单元，其设计效率与飞机结构设计紧密相关.为了提高飞机典型零件的设计效率，本研究以CATIA二次开发为平台，借助CAA(Component Application Architecture)编程工具，对飞机典型零件进行变型设计.首先建立基于CATIA参数化建模的零件三维模型，然后对模型进行参数分析，建立一定的变量关系，最后通过参数驱动或移除、添加特征来完成产品的变型设计.变型设计技术能够提高产品设计效率，降低成本，保证产品质量.

1CAA的产品架构及技术实现

1.1CAA的产品架构

组件应用架构CAA是法国达索公司推出的，它是客户对CATIA二次开发的有效工具[1].CAA的产品架构(图1)主要是对其组件对象进行组合与扩展，在C++面向对象程序设计的基础上，通过组件对象模型(Component Object Model,COM)和对象连接嵌入技术(Object Linking and Embedding,OLE)，对CATIA进行二次开发.CAA的产品架构采用标准接口技术，具有更好的模块独立性和扩展性，使CAA程序设计趋于标准化，可进行系统所有功能的开发工作[2].

从图1可以看出，CAA由许多模块构成，每个模块中又包含一系列的文档，其中含有大量信息，用户可以根据文档信息实现所需要的功能.CAA的模块文档之间存在一定的联系，点击具体模块，可以查询进行CAA编程所需要的具体函数以及函数应用实例.由此可见，CAA的模块式结构非常适合对系统的进一步开发[3-4].

1.2CAA的技术实现

快速应用研发环境(Rapid Application Development Environment，RADE)是一个集成的可视化开发环境，可为用户提供比较完整的编程工具组[5]. CAA的实现是通过快速应用研发环境和不同的API接口实现的.RADE以面向对象的VC++为载体，嵌入CAA工具.API接口提供各程序对象的接口、工具和方法.利用CAA，可以实现CATIA的二次开发、全三维参数化建模以及参数化建模基础上的变型设计.

图1　CAA的产品架构

2飞机典型零件的分类

飞机典型零件是指具有一定代表性，能够反映飞机零件通性的一类零件，它们可能在结构上或制造工艺上具有一定的相似性，例如梁，有叵字形梁、Z字形梁、工字形梁和钩字形梁.飞机的结构主要由机翼、机身、动力装置、起飞装置和尾翼等构成.其中，机翼和机身中含有大量的飞机典型零件，包括机加件、钣金件和型材等.飞机典型零件与普通零件相比，具有结构复杂化、结构大型化、材料多元化、制造精确化等特点.

飞机典型零件比较多，为了清晰地分类，根据飞机零件的结构特点和制造特点，可将飞机典型零件归纳总结分类.在参数化建模中，变型设计主要用于表1所示的飞机典型零件.

从零件的结构和工艺制造特点考虑，钣金件、翼梁、拉杆和长桁型材属于常见的飞机典型零件.

(1)飞机钣金件主要由腹板、翼面和缘条构成，经过剪切冲压等冷加工，生成厚度一致的金属薄板件.缘条与翼面贴合弯折可形成钣金件.钣金件通常具有的凸缘、线冲压等特征，用来减小钣金件的集中应力.钣金件根据翻边的不同可以分为两侧翻边钣金、三侧翻边钣金、四侧翻边钣金；根据翻边的正反向不同可分为正向翻边、反向翻边；根据有无豁口可 以分为有豁口、无豁口.

(2)翼梁由腹板和缘条构成，其受力主要为纵向受力.缘条主要承受弯曲力矩，以及拉伸和压缩作用.翼梁的外形结构类似于钣金件，根据端头截面形状可以分为叵字型、Z字型、工字型和钩字型.同钣金件一样，根据端头部位是否封闭、开口、豁口，翼梁还可进行细分.

(3)拉杆属于机加件，主要用作机翼内部连接受力杆件.侧面开槽形式的拉杆主要用来缓解集中载荷产生的应力.根据需要，拉杆可以分为拉杆1-1、拉杆1-2和拉杆2-2.

(4)长桁型材主要承受机翼弯曲力矩引起的轴向力和局部空气动力载荷引起的剪切力.长桁型材可以分为普通长桁型材和蒙皮长桁型材.

表1　飞机典型零件模型库

注：“/”表示该类没有对应级别.

3飞机典型零件变型设计的分析

参数化设计是机械设计的主流方法.为了降低飞机典型零件设计的复杂性，提高设计效率，增加产品利润，本研究采用了典型零件变型设计技术.变型设计是在不破坏产品初始设计原理与结构的基础上，在满足产品设计要求下，对原设计进行尺寸、结构的修改，以产生与原设计相似的新产品[6].变型设计技术实质上是参数化设计技术的特例，通过修改参数或参数与参数的关系，重新约束机械零件，从而产生新的模型.

典型零件变型设计即在CATIA系统中，当典型零件初始参数化模型建成后，根据用户需求，将典型零件根据其结构的相似性整理分类，进而变型设计建模.普通的零件只能逐个进行变型设计，产品设计效率较低.典型零件通过分类之后，外部几何特征的相似性比较强，对其变形设计可缩短建模步骤，快速重复原有的操作步骤，提高设计效率，降低成本.典型零件变型设计是对模型的重用.对于相似的两个模型而言，修改其中的模型参数，驱动模型的更新，便可实现对几何模型的重用.

飞机典型零件变型设计的主题思想是：首先对飞机典型零件进行结构特征分析，归类，然后建立其模块，对每个类模块中的模型进行变型设计，最后达到零件重用的目的.因此，变型设计结合参数化技术，可以提高产品设计的柔性，更好地适应多型号产品的开发设计[7].

4飞机典型零件变型设计对话框的建立

在已经建好的交互式界面中添加对话框，建立一个空的对话框：首先把工作对象设置为当前的Module，然后单击文件->CAA V5 Item->CATIA Resource->Dialog.

在空的对话框中添加控件，根据用户需求，将控件添加到CATDlg对话框中，点击全部保存按钮来保存文件，程序即自动在 Build 函数中生成：

_Frame001 = new CATDlgFrame(this,“Frame001”,CATDlgFraNoTitle|CATDlgGrid Layout);

_Frame001 -> SetGridConstraints(0, 0, 1, 1, CATGRID_4SIDES);

……

本研究建立的飞机典型零件变型设计对话框如图2所示.对于所有典型零件，都可以在对话框知识模板预览中调用需要更改的初始三维模型，清晰可见.

图2　典型零件变型设计对话框

5飞机典型零件变型设计方法的实现

飞机典型零件主要是根据其结构和制造的相似性进行变型设计的.根据飞机典型零件的分类，对其参数、结构进行分析，并通过CAA编程工具建立三维参数化模型，在参数化模型基础上进行分类变型，即可完成典型零件的变型设计.典型零件变型设计可以分为尺寸参数变型和结构特征变型.

5.1基于尺寸参数

通过参数化建模技术，建立飞机典型零件模型之后，若要实现对模型特征的尺寸修改，就需要对相应特征的尺寸参数作修改，更新此类模型来形成新的模型.首先通过CATIA的二次开发技术，借助CAA编程工具，建立交互式设计界面，然后编写程序，使典型零件模型中的尺寸参数与交互式界面对话框中的尺寸参数相关联，尺寸参数相互驱动，最后通过更改其中的尺寸参数来实现变型设计.其主要实现过程如图3所示.

图3　基于尺寸参数的飞机典型零件变型设计实现过程

5.2基于结构特征

基于结构特征的变型设计是一种基于特征实例的重用.特征是组成零件的最小单元，它不仅可以表达形状信息，还可以表达尺寸约束等信息.结构特征参数是动态参数，可以用来控制特征的形状和位置，根据用户的需求实现变型设计.结构特征之间的关系包括空间位置关系(location relation)、布尔运算关系(boolean relation)和层次关系(hierarchy relation)[8].空间位置关系是指零件特征中的尺寸公差；布尔运算关系是指零件特征之间的建模求和与求差；层次关系类似于层次分析法中的关系.

基于结构特征的飞机典型零件变型设计以飞机典型几何模型为基础，用户可以对飞机典型零件的凸台、凹槽、孔、肋等特征进行删除或添加，从而生成新的模型.其主要实现过程如图4所示.

根据飞机典型零件的建模过程，设计者能够对原有典型零件模型的特征进行删除、添加，快速实现变型设计，达到飞机典型零件变型设计的目的.

6飞机典型零件的变型设计实例

飞机典型零件种类繁多，这里以拉杆1-2为例介绍变型设计方法.首先对拉杆进行特征分析，确定尺寸参数单耳片半径r1、单耳孔半径R1、单耳片厚度h、双耳片半径r2、双耳孔半径R2、双耳片厚度H和双耳片间距S；确定尺寸参数之后，利用CATIA二次开发技术以及CAA编程工具，建立初始拉杆1-2模型；完成建模后，通过修改其尺寸参数，实现其参数变型.

(1)获取当前文档：

CATFrmEditor*spFrameEditor=CATFrm Editor::GetCurrentEditor();

CATDocument*pNewInstanceDoc=spFrame Editor->GetDocument();

(2)通过GetRootContainer()方法获得文档PrtContainer，并通过指向容器的指针pIPrtCont OnCAANewInstance获取零件设计特征：

CATIPrtContainer*pIPrtContOn CAANew- Instance = NULL ;

pIPrtContOnCAANewInstance=(CATIPrtContainer*)pInitOnDoc->GetRoot Container("CATIPrt Container");

(3)对零件参数进行接口查询：

CATInit *pInitOnDoc = NULL ;

rc = pNewInstanceDoc->QueryInterface(IID_CATInit,(void **) &pInitOnDoc);

(4)对零件参数进行遍历：

CATISpecObject_var spSpecName=List Found[i];

sPPublish->GetAllChildren("CATICke Parm",ListFound);

(5)将交互式界面的参数与模型中参数关联，完成模型更新：

CATICst_var spPrism(ListCst[i]);

spPrism->SetRealValue(W[i]);

零件特征参数化变型前后的拉杆1-2如图5所示.显然，利用CATIA二次开发技术以及CAA编程工具，能够对飞机典型零件参数化建模，实现变型设计.

图5　零件特征参数化变型前后的拉杆1-2

7结束语

利用CAA编程工具对三维软件CATIA技术进行二次开发，通过面向对象的程序语言，设计人员的思想与三维软件相结合，实现飞机典型零件的变型设计，使用户在产品设计中更具有专业性和目的性.通过实例建模验证，飞机典型零件的变形设计能够在CATIA系统中广泛应用，提高设计工作效率.

参考文献:

[1]李自胜,朱莹,向中凡.基于CATIA软件的二次开发技术[J].四川工业学院学报,2003,22(1):19-21.

[2]许元付,郝博.基于CAA的机械零件参数化设计[J].成组技术与生产现代化,2013,30(1):45-48.

[3]凌坚,隋成华.基于组件结构的软件二次开发接口的设计与实现[J].计算机工程,2002(2):272-274.

[4]何朝良,周安宁,刘毅.基于CAA的CATIA二次开发的研究[C]//西宁:中国航空学会总体分会几何设计专业委员会第六次学术交流会议,2004.

[5]石林祥,叶建平,魏淑桃.基于专家系统技术的智能CAD系统的研究与设计[J].微计算机信息,2005,21(7):133-135.

[6]王仁龙.飞机工装的参数化组件技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2009.

[7]赵立营.型号工程模具快速设计与管理系统模架库建库平台的研究与实现[D].南京：南京航空航天大学,2004.

[8]Sang-Uk C, Duhwan M, Soonhung H,et al. Name matching method using topology merging and splitting history for exchange of feature-based CAD models[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2012,26(10)3201-3212.

Variant Design of Typical Parts of Plane Based on CATIA

LIU Ming1, HAO Bo2, SUN Sheng-li1

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Liaoning Mechatronics College,Dandong 118009,China)

Abstract：To improve the efficiency of product design, the technology of component framework has been researched. Using CAA of CATIA secondary development, the typical parts of the product variant design was established on the basis of the parametric modeling technique, the feature information was extracted quickly and the intelligent operation was realized. Using object-oriented programming language, a variant design with CATIA system integration module has been developed, the product efficiency of plane typical parts was improved greatly. As an example, the pull rod in the typical parts machine and the methods of variant design are verified.

Key words:CAA; variant design; typical parts of plane; secondary development

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.01.002

中图分类号：TP39

文献标识码：A

作者简介：刘明(1988-)，男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61170146)

收稿日期：2015-09-19

文章编号：1006-3269(2016)01-0006-06