基于CATIA GSD的折叠桨叶复材成型模的分型设计

秦俊 雷良超 姜其用

摘要：某型无人机的折叠桨叶采用碳纤维复材结构设计，叶片的外型面是经过气动优化的具有复杂空间结构的异形面。现基于CATIA GSD模块，对桨叶叶片成型模的分型过程进行了详细探讨及论述，提供了一种复杂复材成型模具分型设计的思路、方法和步骤。

关键词：CATIA GSD;折叠桨叶;复材成型模;分型

中图分类号：V279;V22  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）01-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.017

0    引言

CATIA V5是法国达索公司基于微软Windows系统开发的一款高端CAD/CAM软件，在航空、航天、汽车、机械、船舶等各种领域都有着广泛的应用。在国际上，波音、空客、宝马、克莱斯勒等均以CATIA作为它们的主流软件[1]，且国内的航空工业（AVIC）、一汽、上汽等业界领军企业的主流开发平台也均为CATIA。

CATIA GSD是CATIA主要的曲面设计和造型模块，它集成了全面而强大的线框和曲面造型功能，在复杂外形和混合造型设计的曲面的建立、修改等方面具有独特的优势[1]。由于CATIA GSD模块设计曲面的主要方法是基于特征，故其设计环境具有高效、直观等特点，这也是CATIA区别于其他软件的最大特点和优势所在。

确定脱模方向、模具分型设计是模具设计的出发点和基础，对于模具的成本控制和使用有着十分重要的意义。20世纪90年代以来，设计师们进一步认识到脱模方向和分型设计的重要性，并展开了一些研究，但相关研究成果在公开发表的文献中并不多见[2]。原吉林工业大学朱喜林教授等人在Antonia等人提出的“接近锥”概念基础上展开研究，提供了一种模具分模面的计算机辅助设计方法[2]。笔者在朱喜林教授等人研究的基础上，基于CATIA GSD模块，针对某型无人机折叠桨叶成型模的设计进行研究，总结了CATIA GSD在复杂复合材料成型模具分模面设计中应用的思路、方法和步骤。

1    桨叶基准建立

某型无人机折叠桨叶采用碳纤维复材结构设计，叶片的外型面是经过气动优化的具有复杂空间结构的异形面，根据产品结构设计特征和工艺要求，桨叶以金属主梁转动平台底面为竖向基准面，以金属主梁的内端面为纵向基准面，通过金属主梁转动轴垂直于纵向基准面建立桨叶的主基准面，如图1所示。

2    分模面的设计

2.1    型面的导入与脱模方向的确定

桨叶型面直接通过CATIA GSD模块的“提取”命令从产品外表面直接提取，提取后用“结合”命令完成桨叶型面的整合。

确定脱模方向需要充分考虑产品的结构设计特点和工艺性、经济性要求，脱模方向对模具的复杂程度、制造成本和周期等都有着重大影响。基于朱喜林教授等人提出的基于“接近锥”概念确定开模方向的方法[2]，结合上文所建立的桨叶基准，可以求得桨叶的最优脱模方向为转动轴线方向，如图2所示。

2.2    分模线的设计

确定复材制件分模线的位置和形状是模具分模线设计的前提。文献[3]提出了分模线提取和设计的一些原则，在CATIA分模线设计中同样需要遵循。

分模线与脱模方向相关，确定脱模方向后，一般都比较容易找出分模线。

CATIA GSD模块中没有直接定义分模线的命令，这让一些应用CATIA进行模具设计工作的设计人员比较困惑，其实应用CATIA GSD模块的“反射线”命令不仅可以创建分模线，而且功能较UG NX更为丰富，如图3所示。

下面对利用CATIA反射线功能设计分模线的方法作简要介绍。

CATIA有关反射线命令的详细说明可以查阅文献[1]，限于篇幅本文从略。

应用在分模线设计中，给定的光线方向（Direction）就是脱模方向，给定曲面（Support）就是待确定分模线的产品型面，反射角度（Angle）与Normal按钮是否打开有关，一般选择Normal为打开状态，则Angle输入90°，所得的反射线就是所要确定的分模线。

本文中折叠桨叶的前缘型面通过CATIA反射线命令可以确定前缘分模线，后缘分模线就是桨叶型面的后缘下边界线，直接提取即可。桨叶的两端面都平行于脱模方向的平面，因此，创建两条直线连接前后缘的分模线就是桨叶型面的完整分模线，如图4所示。

2.3    分模面的设计

分模面的形状取决于分模线特征，一般可分为两类：（1）平面分模面，其分模线全为平面曲线，它通过分模线并垂直于脱模方向;（2）曲面分模面，其分模线包含空间曲线段，且考虑到成本等因素，曲面分模面一般都取通过其分模线的直纹曲面[2]，且曲面的纹理方向与脱模方向垂直。

由此可见，分模面是由直线沿一定的轨迹运动而形成的[4]。具体到CATIA GSD模块中，对应的命令就是“拉伸”成形曲面，简称“拉伸面”。

利用2.2所确定的分模线，通过CATIA GSD的“拉伸”命令，可以创建桨叶成型模的分模面，其中前后缘的分模线为空间曲线，因此前后缘分模面分别由前后缘分模线沿“主基准面”的法线方向（参考图1）拉伸成型;桨叶外端的分模面为平面，由图5的外端面分模连接线沿“纵向基准面”（参考图1）的法线方向拉伸成型。型面内端面开敞，直接通过型面的内边界曲线拉伸成型。

分模面的设计结果如图5所示。

3    成型模具的分型

在运用CATIA进行模具设计时，其关键就是分模面的设计，完成分模面设计后，后续的工作就显得比较简单了。

一般就是创建模具实体，用分模面切割实体形成模具型腔，这个过程就是应用CATIA对模具进行分型的过程。

本文中桨叶成型模是由下模、压模构成的组合模，通过基于草图的实体设计创建模具实体，由图5的分型面分别切割实体，得到成型模的下模、压模如图6所示。至此就完成了桨叶成型模具的分型。

4    结语

分型设计是复材成型模具设计最关键、最核心的内容，对于模具成本、加工工艺性及复材制件的成型质量等均有着直接的影响。当前，模具已经普遍采用数控加工，故熟练应用CAD/CAM软件对于模具设计和制造意义重大，而CATIA GSD强大的曲面设计能力，为设计人员充分发挥才智提供了有力的保障，尤其是“反射线”命令所内含的创建分模线的强大功能，设计人员应该充分利用。

[参考文献]

[1] 李学志，李若松.CATIA实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] 朱喜林，何凤江，高春甫.模具分模面的计算机辅助设计[J].吉林工业大学自然科学学报，1999，29（3）：30-34.

[3] 陆龙福，鄢敏.基于UG NX的塑料模具分型过程[J].机械工程与自动化，2012（2）：23-25.

[4] 涂小文，娄臻亮，李明辉.注塑模具分型面的自动生成技术[J].上海交通大学学报，2003（5）：750-753.

收稿日期：2021-07-02

作者简介：秦俊（1981—），男，江苏南通人，工程師，研究方向：模具设计、复合材料制造。

雷良超（1991—），男，安徽合肥人，助理工程师，研究方向：飞机结构设计、通用机械设计。

姜其用（1983—），男，湖南永顺人，工程师，研究方向：飞机结构设计、工装设计、机械设计。