三维数字化技术在试验工装设计中的应用

翟晓　田振宇　张霁　姜文英

摘 要：主要阐述了基于CATIA三维设计软件平台建立火箭发动机静力试验工装三维模型的方法，并以后裙过渡框为例，利用ANSYS Workbench有限元分析软件对其结构强度进行了计算，确保其安全性满足设计要求。根据静力试验安装要求及工装装配关系，对所建立的三维模型进行虚拟装配，优化试验工艺，并对试验工装关键连接部位进行检测，确保试验工装的无干涉装配。利用三维数字化技术进行火箭发动机静力试验工装设计，不仅可以提高设计水平和效率，还可以模拟试验装配过程，对试验具有重要的指导意义。

关键词：三维建模；结构强度分析；虚拟装配；干涉检测

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.112

火箭发动机需要通过静力试验来检验发动机壳体的强度及结构性能，试验工装用于模拟试验件两端的边界条件、传递载荷。传统的试验工装设计安全系数远大于发动机壳体的安全系数。为了更加真实地模拟发动机壳体的边界条件，目前的设计标准要求工装强度要与试验件强度相近。在二维设计模式下，只能利用理论计算方法对试验工装的安全性作初步的分析计算，不能获得比较精确的安全系数。并且，试验工装设计的合理性、与试验件的匹配度，只能在试验装配过程中才能发现。一旦出现问题，势必会影响试验进展。

本文以固体发动机壳体静力试验中使用的后裙过渡框试验工装为例，介绍了利用CATIA软件建立三维模型的方法，并通过ANSYSY Workbench软件模拟受载情况，获得其等效应力云图和整体变形云图，以计算结果指导工装设计，从而保证试验工装的安全系数满足设计要求。此外，利用CATIA装配模块对试验件及试验工装按照静力试验要求进行虚拟装配，形成安装工序视频，对关键连接部位的装配情况进行检查，并无干涉现象。三维数字化技术取代了传统的实物模装，极大地提升试验工装设计和装配的效率、质量，具有重要的推广价值。

1 三维建模

后裙过渡框与固体发动机壳体的后裙连接，因此其连接孔尺寸、数量及分度圆要与发动机壳体保持一致，据此确定试验工装的主要尺寸，再根据确定的参数进行试验工装的建模。建模过程中，对于连接尺寸外的其他尺寸可以根据经验和设计标准确定。

利用CATIA软件代替传统的二维设计方法，建立试验工装的三维模型，通过三维建模、视图定义、剖面定义、尺寸标注、技术要求等方式，完整、准确表达和传递设计意图。利用CATIA软件可实现二、三维结合出图，方便加工人员加工。图1为与某型号固体发动机壳体后裙过渡框工装的三维模型，图2为由三维模型转成的二维图纸。

此外，静力试验用到的其他试验工装有前裙过渡框、试验平台、连接螺栓，都可以利用CATIA软件建立三维模型。

2 结构强度分析

在ANSYS Workbench有限元分析中，将模型的次要部分做简化处理，可以在保证精度的基础上减少计算量。本文将后裙过渡框的连接孔和倒角忽略，三维模型另存为.stp格式的文件，然后导入ANSYS Workbench，对试验工装的静力学结构性能进行仿真分析。在静力试验过程中，后裙过渡框与发动机壳体连接的端面处受均匀分布力，并且后裙过渡框为轴对称结构。因此，为了提高计算速度，取模型的1/4进行分析。

后裙过渡框材料为45钢，弹性模量E=230 GPa，泊松比υ=0.3，质量密度ρ=7.8×103 kg/m3。利用六面体网格划分（Hex Dominant）方法对后裙过渡框的1/4模型进行网格划分，对底部进行约束，令其x，y，z三个方向的位移为零、上端面均匀受力。过渡框与试验件连接处承压载荷为F=2 800 kN，在1/4模型中过渡框的上端面受力为F=700 kN。后裙过渡框的载荷分布情况见图3.

由于是静力分析，只需利用ANSYS Workbench软件默认求解器求解运算。求解完成后，在后处理器中导出后裙过渡框的等效应力（von-Mises Stress）云图和整体变形（Total Deformation）云图，如图4、图5所示。从图4可以看出，后裙过渡框承受的最大应力为180.8 MPa，位置为加强筋与上端面的交界处。从图5可以看出，后裙过渡框的最大位移为0.138 mm。

在静力试验设备设计中，引起设备破坏载荷与工作中对其施加载荷之比称为“安全系数”。45钢的安全许用应力为σs=355 MPa，因此后裙过渡框的安全系数n为：

≤2. （1）

因此，按照试验要求设计的后裙过渡框既能满足工装安全性要求，同时其强度与试验件强度相近，又满足工装强度要求。

3 虚拟装配及静态干涉检查

3.1 虚拟装配

虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环境，根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

为了区别不同的零/部件，先对试验件与试验工装配以不同颜色，再将前、后裙过渡框、连接螺栓、试验平台等试验工装和发动机壳体的三维数字模型导入CATIA软件的装配设计模块中，在虚拟环境下进行仿真装配。通过运用相合、接触和角度等约束，将后裙过渡框固定于试验平台上，并将前、后裙过渡框分别与发动机壳体的前、后裙连接孔固定，实现固体发动机壳体静力试验装配的数字化模拟。图6为某型号固体发动机壳体静力试验虚拟装配后的安装图。

在CATIA软件的数字化装配（DMU）模块中，可以将虚拟装配步骤记录下来，并保存成DMU动画或视频的形式，在正式装配前方便技术人员及装配人员查看电子样机。虚拟装配与实际装配过程相结合，不仅可以提高三维数字化技术的实际应用水平，还可以形成试验装配要点，形成规范化文件，用于指导试验现场安装。

3.2 干涉分析

在试验件装配完成后，需要进行装配分析。CATIA软件的装配模块具有各种功能性检测手段，如安装、拆卸、干涉检查、截面扫描等，可以检查试验工装与试验工装、试验工装与试验件的装配情况。利用虚拟装配技术的检测功能，可以对装配的关键部位及截面进行检查。在该试验中，需要检测发动机壳体的前（后）裙与前（后）裙过渡框的连接情况。选取关键截面，如图7，壳体前裙与前裙过渡框的螺栓连接间隙检测结果见图8（a），后裙与后裙过渡框的连接间隙检测结果见图8（b）。检测结果表明，前、后裙过渡框尺寸设计合理，与壳体前、后裙未发生干涉、碰撞，复合试验工装设计要求。

由于虚拟装配技术加强了设计过程最为关键的空间和尺寸控制之间的集成，在虚拟装配过程中不断对试验工装进行验证，大部分设计错误都能被发现和避免，缩短了工装研制周期，降低了设计实物及试验工装更改的风险。

4 结论

三维数字化设计技术的应用越来越广泛，本文针对火箭发动机壳体静力试验工装进行了基于CATIA软件的三维建模和基于ANSYS Workbench软件的结构强度分析。在设计过程中，可以依据试验室现有条件设计出试验工装的三维模型，并通过分析试验工装承载时的变形情况，确保其结构强度和刚度在满足设计要求的前提下，可以减轻结构设计中的无效质量，减小体积，获得最优化的试验工装设计方法。

CATIA软件的虚拟装配技术弥补了传统装配工艺依赖设计人员及操作人员经验的缺点，可以将试验装配预先在计算机上完成。一方面，可以在虚拟装配模式下对装配情况进行干涉检查，提前发现试验工装设计上的错误和误差，及时进行修正，实现固体发动机壳体静力试验工装的无干涉装配；另一方面，通过虚拟装配过程视频可以指导现场试验装配，缩短了试验准备周期，实现三维设计过程与装配过程的高度统一。

将三维数字化技术应用于固体发动机壳体静力试验中，能够有效提升火箭发动机静力试验设计水平，为行业的数字化和系统化发展提供借鉴。

参考文献

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作者简介：翟晓（1984—），女，研究方向为发动机静强度试验研究。

〔编辑：刘晓芳〕