基于CATIA的航空发动机模型开发

2017-05-30张帆

科技风 2017年9期

张帆

摘要：通过开发航空发动机模型，改变以往的平面图形教学模式，使学生思维在立体上有深刻印象。本文讲述了，利用CATIA软件建立cfm56-7b发动机的模拟模型，以及利用3D打印机打印实物模型的方法，着重阐述了建模思路，CATIA的操作流程。实物主要由龙门式单喷嘴打印机打印，打印时的参数调整及设置。

关键词：模型开发；航空发动机；3D打印

随着教育方法设施的不断完善扩展，三维建模设计与制造技术已经在科教行业得到了广泛运用，同时正在迅速发展。基于CATIA平台的三维建模技术的研究与实现，为教学提供了一种很好的工具，对教学和研究都起了很大的促进作用，具有很大实用性。该种技术完全是在虚拟的环境下对构件的系统结构建模，并且能够对模型进行自由旋转，这样能够更清楚的体现出结构特点，从而提高了教学多元化。再运用3D打印，得到模型的各实体部件，能让学生对相关部件的结构原理及装配有更深入的理解。

在CATIA中进行制图，然后另存为stl格式软件，用Cura DGO _14.07.01打开stl格式文件，进行打印时的调整。并输出格式为gcode文件，储存在sd卡中。最后将sd卡插入3d打印机开始进行打印。主要进行的是民用航空发动机cfm56-7b发动机的三维建模，因此需要准备相应的参数资料，737-600/700/800/900的AMM手册和IPC手册，Cfm56剖面图。主要查阅部件的具体位置，数量，各自的相对应关系，和进行轮廓的勾勒。

1 发动机三维模型的实现

打开CATIA软件，点击开始按钮→形状→sketch tracer，插入cfm56-7b的剖面图，在cfm56-7b发动机的中轴线上设置原点坐标。进行轮廓描绘。描绘好后右击Product→部件→新零件，建立一个新的part，命名的时候不可以用汉语，只能用英文字母或数字。然后双击此part进入零件设计界面，点击y-z平面→草图编辑器按钮，进入草图编辑。

1.1 风扇部分建模

在已插入的平面图的基础上进行绘制，先画出风扇的整流锥前部，并对其进行加工，挖取螺栓槽，并对整流锥后部进行建模。其次对风扇轮盘进行建模，在轮盘实体上面利用开槽命令开榫槽，如图1所示。

之后对叶片进行建模，考虑到叶片本身是沿叶高方向扭转的。因此在空间建立多个个平行的平面，多个平面应该包括叶片的根部，扭转角度最大的部位，以及叶尖。建立完成后，分别在三个平面绘制相应位置的叶型截面图，绘制完成后退出操草图编辑器，进入零件设计平台。点击多截面实体按钮，依次选取多个截面，正确选取后，点击预览按钮，最后点击确定，叶片模型建立完毕。如图2所示。

并对此叶片添加与轮盘相对应的凸台特征，便于以后的装配。最后对保持环和法兰盘进行建模。至此风扇部分的建模工作基本完成。

1.2 其余转子部分建模

同风扇部分是相似的，首先查阅手册得知低压压气机共有三级，高压压气机有九级，高压涡轮一级，低压涡轮四级。低压压气机动叶数量分别是74，78，74。静叶数量分别是进口导向叶片是108，其余都为136。高压压气机动叶数量分别是38，53，60，

68，75，82，82，80，78。静叶数量分别是42，82，84，72，100，96，

110，120，110。高压涡轮动叶数量为80，静叶数量为42。低压涡轮的动叶数量为162，150，150，134。静叶数量分为96，108，140，132。开始正式建模，首先建立转子部分，以cfm56-7b的剖面图为背景，描绘转子轮廓，包括三级低压压气机的轮盘轮毂，高压压气机九级的轮盘轮毂，高压涡轮的轮盘，以及低压涡轮的各级轮盘。

草图绘制完成之后，退出草图编辑器。以横轴（横轴应位于背景剖视图的轴线）为旋转轴，将草图进行实体旋转。旋转实体完成之后开始对各级轮盘外表面建立相应的榫槽特征。之后对各级的叶片进行建模，高压压气机叶型要求各级沿叶高方向有扭转，涡轮沿叶高方向扭转较少。利用多截面实体，新建平面和凸台命令，将转子各级叶片模型建立完成，进行装配后，点击阵列，选择圆形阵列，阵列方式选择完整径向，数量选择各级的叶片数量即可将转子部分建模工作基本完成。

如图3所示为高压压气机部分。

1.3 静子部分建模

首先进行的是手册的查询，得到相应的各级叶片数量后，在背景剖视图的基础上对静子部分开始建模，描绘轮廓，完成基本草图的绘制。退出草图编辑器，施加旋转特征。得到外机匣和静子叶片内环，此时我们可以选择在外机匣内壁建立新平面，直接对叶片进行建模，省去后期装配的过程。在零件设计平台，点击新建点按钮，选择点在曲面上，选择静子叶根所在的曲面，将此空间点建立在此处曲面上。之后点击新建平面，选择曲面的切线，选取曲面，选取点，完成与此曲面相切此點的平面构建。然后以这个平面为基础对叶片进行建模，对于高压压气机而言，需要在建立完成此平面后，建立与平面平行，但垂直距离为此级静子叶高的平面，并于两平面间在建立两到三个平面，以完成叶片需要扭转的需求。由于涡轮叶片对于扭转的需要不高，我们只在叶根和叶尖建立两个平面即可。至此静子部分的建模工作基本完成。

2 其余部分的补充建模

考虑到建模的主要目的是为了教学，我们将除去主要的转子和静子部分之外的结构单独对其进行建模。主要包括滚珠轴承和圆柱轴承，封严装置，燃烧室，燃烧室附带的油路装置，尾喷，尾喷部分的支板和整流锥。建模的整体思路还是先进行轮廓的描述，之后进行三维特征的建立，对于剖视图上没有表达清楚的部分，我们需要自习的查询手册，进行求证。

3 输出三维实物模型

我们可以将绘制好的三维模型进行3D打印，这样在教学方面会给学生带来更直观的印象。打印机的类型为龙门式，打印材料为PLA，直径为1.75mm。打印时先将CATIA文件另存为格式为.stl的文件，以便于用cura软件打开，进行打印前的调整。层高一般设置为0.1至0.3，外壳厚度设为1.2，开启回抽，设置底部/顶部厚度为1.2，填充密度为百分之25，打印速度为60mm每秒。在打印前对打印机进行调平，并在热床平台上贴上纸胶带，便于打印完成后模型的取下。由于打印机的精度问题，对于不便于一次成型的部分，我们可以分开打印，之后对实物进行粘合。

4 结论

CFM56系列发动机在世界民航发动机仍然占有很大的份额，本课题以CATIA为平台，根据CFM56-7发动机的AMM手册、IPC手册，对发动机进行建模，过程中学习了发动机的结构特点和CATIA软件的建模方法技巧，最后用3D打印机将部件打印成实体，用于教学目的。

本文有以下一些突出特点：

1）在建模过程中，使用了插入图片作为背景，通过描摹来画草图的方法，与运用测量画草图的方法相比，使画出的草图更加精准，各个部件之间的比例关系更加协调。

2）在开榫槽时从AMM手册找到了榫槽截面图，描绘出了准确的模型草图，然后通过圆弧中心线开槽，使轮盘模型上的榫槽更逼真，更接近实际。

3）有些结构的剖视图没有该结构的体现，但是我通过阅读AMM手册，分析IPC手册，建立起了符合功能和结构要求的模型。

4）重点注意压气机叶片，静子叶片，涡轮叶片它们的叶盆，叶背之间的相互关系，查找相应的资料，对应流场关系，正确的确定它们的关系。

本文也存在一些不足的地方：

1）由于缺乏实践的经验，忽略了建立的模型和实际的打印成品之间各环节存在的误差，没有考虑到打印机的打印质量，使成品较粗糙。

2）由于技术封锁，缺乏一些关键参数，使叶片模型没法用于更深层次的研究。

参考文献：

[1] 任艳艳.浅谈CATIA的优势与发展前景.网络财富，2009，6：121-213.