观 弋嬲· Ｉ ＭｏＸｉａｄｎｅｄｒａｎＭａｉ Ｊｉｘｉｃｅｈ ｉｎｅｒｙ 基于ＣＡＴＩＡ航空标准件模板参数化建模方法研究 陈蓓，曹岩，杜江，乔虎 （西安工业大学机电工程学院，陕西西安７１００２１） 摘要：在飞机设计中需要大量的航空标准件，为了提高航标件的设计效率，缩短研发周期，文中利用参数化设计的 原理，建立零件参数化设计层次模型。通过创建三个航标件的模版，详细地介绍了针对系列化零件在ＣＡＴＩＡ中的 参数化建模过程。结果表明：仅结构和尺寸驱动的零件模板，利用表格数据驱动模型的方法进行系列化建模，可以 有效的提高零件设计效率；设计参数驱动的零件模板，通过公式求出未知设计参数，再利用表格数据驱动模型的方 法实现参数化建模，对标准化、通用化特点的零件有着高效的自动化设计。 关键词：参数化建模中图分类号：ＴＨ１３１ ＣＡＴＩＡ设计方法 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６８８６（２０１８）Ｏ３—０１０４一ｏ４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐａｒｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＴＩＡ ＣＨＥＮ Ｂｅｉ，ＣＡＯ Ｙａｎ，ＤＵ Ｊｉａｎｇ，ＱＩＡ０ Ｈｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐａｒｔｓ，ｔｈｅ ｂｉｅｒａｒｃｈｉ· ｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｉｃ ｄｅｓｉｒｇｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐａｒｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｅｓｉｇｎ．Ｂｙ ｃｒｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｍｐｌａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ａｖｉａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐａｒｔｓ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｓｅｒｉａｌ ｐａｒｔｓ ｉｎ ＣＡＴＩＡ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｒｔ ｔｅｍｐｌａｔｅ ｏｎｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｉｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔａｂｌｅ ｄａｔａ ｄｒｉｖｅｓ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ—ｄｒｉｖｅｎ ｐａｒｔ ｔｅｍｐｌａｔｅ，ｕｎｋｎｏｗｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐａ－ ｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｏｒｍｕｌａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔａｂｌｅ ｄａｔａ ｄｒｉｖｅｎ ｍｏｄｅ１． Ｔｈｅｒｅｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ ａｎｄ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｅｆｉｃｉｅｎｔｆｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＣＡＴＩＡ，ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ．一 但设计师往往因为不同规格的尺寸重复设计，不仅 。 现代制造业产品设计中，从零件到装配，都存在 不同程度的系列化问题。例如铆钉标准件，即使是 同一类型号的标准件，尺寸规格也有可能是不同的， ［１１］ ＶＯＳ Ｓ．ＷＩｒＩｆｒ Ａ．Ｈｙｂｒｉｄ ｆｌｏｗ ｓｈｏｐ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｓ ａ ｍｕｈｉ ——使得设计效率低、周期长，还增加了零件制造成 本¨Ｊ。为了从ＣＡＤ系统的标准件库中获得满足设 计要求的标准件，对零件的标准化设计提出了更高 的要求，其中参数化建模又是其中的核心问题。 ·夺· ·夺·夺·夺·夺·．串·夺·夺·夺·． ·夺． ·夺．毒．夺． 夺·夺·夺·÷·孛·÷·夺·÷·夺－孛·夺·。｝·夺·夺·夺·夺·毒·夺·孛·夺·夺·夺·－４＞· ·．串·夺·夺·夺·夺· ［１３］ＤＥＢ Ｋ，ＰＲＡＴＡＰ Ａ，ＡＧＡＲＷＡＬ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａ ｆａｓｔ ａｎｄ ｅｌｉｔ— ｉｓｔ ｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ：ＮＳＧＡ—ＩＩ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２００２，６ ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ——ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｉｔｈ ｂａｔｃｈｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ：Ａ ｒｅａｌ—ｗｏｒｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａ— ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，２００７，１０５（２）： ４４５—４５８． （２）：１８２—１９７． ［１２］ ＺＩＴＺＬＥＲ Ｅ，ＴＨＩＥＬＥ Ｌ．Ｍｕｈｉｏｂｊｅｅｔｉｖｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ａｌ— ｇｏｒｉｔｈｍｓ：ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｅａｓｅ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｐａ— 作者简介：周涛（１９９２一），男，硕士研究生，广东工业大学 ＣＩＭＳ重点实验室，主要研究生产调度、工业信息 化。 ｒｅｔｏ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，１９９９，３（４）：２５７—２７１． ·收稿日期：２０１８—０３—１７ １０４· 陈靖芯 提出了利用ＣＡＴＩＡ软件中的公式编 辑器．厂（ ）对碟簧零件建立三维模型，在参数化建模 之前，首先利用公式编辑器定义碟簧零件的几何参 数，通过公式将系统参数与用户参数连接起来，从而 达到用户参数驱动三维参数模型的目的，再利用数 据库中的数据表来驱动ＣＡＴＩＡ的三维模型，改变数 据表中的参数就可以相应生成不同的零件模型，为 参数化建模的方法提供了理论依据，然而对于碟簧 零件参数化建模的过程描述较少。沈燕辉等 主 要研究了以汽车标准件螺栓为例的参数化建模方 法，利用系统参数与尺寸约束驱动图形的参数化建 模方法，对螺栓零件进行参数化设计，其中螺栓的一 个设计参数未知，通过另一个与其相关联参数的公 式求得，在所有尺寸参数已知的条件下才能对零件 的几何外形进行全约束，进而实现零件的参数化建 模，这为本文研究多目标设计参数驱动的零件模型 提供了思路和理论依据。 本文以参数化建模为研究对象，参数化建模有 多种方法，对于不同类型的零件，参数化设计方法又 不完全相同，部分零件参数化过程中含有一个甚至 多个未知设计参数，此时需要在传统方法建模基础 上，进一步按设计使用要求来实现零件的参数化设 计建模。基于以上的分析，零件的参数化建模可分 为三个层次：仅结构和尺寸参数驱动的零件模型；设 计参数驱动的零件模型；多目标设计参数驱动的零 件模型。这三个模型为ＣＡＤ／ＣＡＥ软件参数化建模 方法提供有效的思路和实现方法。 １参数化设计 参数化设计是定义几何图形的尺寸大小并约束 尺寸关系 ］，简单来说就是改变参数的大小，即可 相应地改变零件图形大小。参数化设计对于设计人 员而言，方便修改和设计零件的草图。用户仅仅需 要修改参数化零件模板的参数值即可实现目标零件 的建立。或者只需将零件的关键部分定义为某个参 数，通过对参数的修改实现对产品的设计和优 化 。 ２标准件参数化建模的过程和实现方法 参数化设计是参数化建模的核心技术，如何筛 计算机应用ｌ ２ｏｔｓ￣－ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｌａｔｉｏｎ Ｉ 第Ｊ期 Ｉ＾ 选与应用参数化建模的方法，关键在于参数、公式、 表格、特征等驱动图形达到改变模型的目的。主要 包括三种参数化建模方法：系统参数与尺寸约束驱 动模型、用户参数和公式驱动模型、利用表格数据驱 动模型 一 ］。文中采用第三种方法进行参数化建 模，结合第一种方法对二维图形进行尺寸与特征约 束。 利用表格数据驱动模型的参数化建模方法介绍 如下：在机械设计中，对于系列化零件（例如通用 件、标准件等等），它们的尺寸都可通过查表获得。 可应用表格驱动几何图形实现这一功能，以表格的 形式在相应的文件中存放与模型有关的数据，再利 用“设计表”将模型的参数（系统参数或者用户参 数）与表格中的数据关联起来，建立表中参数与三 维模型参数的联系，通过选择不同的数据就可实现 对模型的驱动。 上文可知本文零件的参数化建模可分步进的三 个层次：仅结构和尺寸参数驱动的零件模型；设计参 数驱动的零件模型；多目标设计参数驱动的零件模 型。创建三个层次标准件的参数化建模模板，建模 流程如下图１。 图１零件参数化建模流程 ３ 模型实现 ＣＡＴＩＡ是ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化的软件，被广 ·１０５· 观 弋嬲。摘 Ｍｏｄ ｅｒｎ¨Ｍ ａｃ 泛心Ｊｔｊ丁航 航天、汽 制造平¨造船等行业 』ＷＩ身就 ｝ 可视化Ｊ 寸 动 ｊ参数驱动功能，方 便参数化建模，无需或做少的编 即ｌｆｌ『实现三维参 数化建模， 此本文选择ＣＡ ｒＪＡ进行模型的参数化 创建通过他川 ｌ『ｆ１ 个模块的参数化建模方 法，建、 ：起 件的参数化建模模板，现以垫圈和六角 螺怆乃例，简述参数化模型的实 过 ３．１ 仅结构和尺寸参数驱动的零件模板参数建模 足一个简 的十 伸实体，选择航标 ＨＩ｛１—５２１—１９８３的垫 为 水造型特征， 其主嵫的Ｊ 特征参 数彳 ：ｒ１： ｄ 、ｄ，、ｄ 图２垫片零件图 干¨ 片高度ｈ，如 ２ 从 怀准件手册查…Ｊ ｊ‘ 息，得知该零件 的结构 Ｊ 寸参数都已知， ＣＡｒｒ１Ａ对垫圈的各尺 寸参数进行没置，草 【｛１即ｌ１Ｊ’利川对这些参数进行 约 通过公式对其参数化，通过 维特征操作得 到宄 的 个 的参数化模板，导入同系列的尺 、ｒ表ｌＩ『『ｌＩ动，ｌ－成垫圈零件怍， ３为通过建模、特征 参数 成的 圈 维参数化模 墨 。 图３模型树中的参数关系 ３．２设计参数驱动的零件模板参数建模 什的参数化建卡Ｉｌ ｒ１ｌ，符 ·个设计参数未 ，ｌｉＪ‘以通过男一个上ｊ之有公式火系的结构参数求 …，零什 际ｔｆｌ的没计口标和Ｉ使川受求主要体现 为“载倚、变彤量”等层而“ 航标零件中的螺栓 ＨＢｌ—ｌ０ｌ一２００２，仪考虑螺拎受到．１，“挤 力”，六 角 螺栓的功能参数为：螺栓所受到的＿【二作剪力Ｆ、 挤』 强度 、』二述的两个功能参数 ｊ螺栓其他结 构参数之 的汁算天系如表１ ． 表１ 仅受挤压力的螺栓参数 ｉｔ！：ｌ ｒ， Ｊ螺 材料许川挤压懂／Ｊ．ＭＩ 已知螺栓材料，存机械ｒ册Ｉ１］盘…许川挤 心 力［ ． ．将查到的值带人丧巾的公式里，收挤Ｊ 力 为最大值等于［ ，，］，按．Ｉ！ｆ｛太ｌ中的两个公式求 ｝｝Ｉ 挤压应力最大值时螺栓的 面直径ｄ （等丁 螺栓Ｉ ：径ｄ），依次也呵求…，｜ （等于螺栓朴与孔 挤 的高度ｌ ） 算¨｛ｄ和 ，其他结构和 寸 参数呵通过查询该螺栓旧家标准Ｆ册的参数得到，『．．．．．．．．．．．●０ 在ＣＡ Ｉ＇ＩＡ中按照图ｌ～一 ｆ； ｆ】的建模流 创建螺柃的参数 化模型，得到罔４。 曼 图４螺栓的参数化建模 ３．３ 多目标设计参数驱动的零件模型 六ｆｆｊ螺栓足一个经常使川的厂Ｌ件，建模ｆＩｌｆ 九 学虑螺栓在实际中的没汁ｒ】怀ｆ１ｌ他』Ｌ｝ｊ要求主要体 为“挤ＪＩｉ、剪切”等层面。与之刈－Ｊ １可将六角失螺枪 的功能参数定义为：螺栓所受刽的Ｉｒ 作剪力 、挤 强度ｒ，， 和剪切强度 ，上述的１ 个功能参数 螺 栓其他结构参数之问的汁箅父系如表 针对表２中所示六角螺伦功能、结构参数之『【ｉＪ 的天系．在已知螺栓材料后， 机械手册中杏…许川 挤Ｆｉ；／ 力［ ］和螺栓材料｝，Ｉ：川 应力［７－］将 到的值带入表中的公式里，收挤』｛ｉ应力ｒ厂，．为最大ｆＩ｜ｆ 等于［ ］，同理取剪切应 ｒ为最大优等ｒ［，ｒ］ Ｃｏ计算机应用ＩｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｌａｔｉｏｎ ｌ ｚｏｏｓ．￣第Ｊ期 ，Ｐ 可按如下４个步骤实现功能参数驱动的螺栓零件设 计建模： 表２ 承受挤压和工作剪力的螺栓参数 功能参数 结构参数 关系和计算公式 同情况类型的零件模型，总结了零件的基本建模流 程，针对不同特征类型的航标零件，选择相应模块的 参数化建模方案，为ＣＡＤ／ＣＡＥ软件参数化设计提 供了新的思路和实现方法。得出结论为： １）建立了三层次不同情况类型的参数化零件 承赏螺栓的最大挤六角螺栓头厚度 工作剪力， 六角螺蓉栓萎头 度Ｓ对边宽度 ＝ ｄｏＬ… ① 模型，以参数化设计为理论依据，缩短了零件的建模 周期，为后期ＣＡＤ系统零件库的设计奠定了基础。 ｒ： ≤『Ｔ］② 挤曼和压应力 Ｉ－＇［Ｆ 螺距Ｐ螺栓加强杆的长度ｆ： 螺栓加强杆直径 —＇ ＩＴ‰２ ．２）参数化建模方法包含模型的创建信息，充分 利用表格数据驱动模型建模方法能有效提高设计工 作效率和航标件质量，缩短了飞机整体的设ｉ－ｔ－，ｅｌ司。 参考文献 藁螺栓切强度 螺栓杆与孔壁挤压面的高度 “～…。ｚｓ 注：［ｒ］螺栓材料许用剪切应力，ＭＰａ；［ ］螺栓材料许用挤压应力，ＭＰａ。 ［１］ 张鹏．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的机床夹具零部件库的建立 ［Ｄ］．济南：山东大学，２００６． ［２］ 陈靖芯，徐晶，陆国民，等．基于ＣＡＴＩＡ的三维参数化 建模方法及其应用［Ｊ］．机械设计，２００３，２０（８）：４８— ５０． １）实际工程中，已知螺栓所受的工作载荷，，用 表２中的公式①和公式③计算出螺栓受挤压力下的 直径ｄ。．。 ２）通过表中公式②求出螺栓受剪切力下的直 径ｄ。 ，Ｌ （等于螺栓杆与孔壁挤压面的高度ｚ，）。 ３）通过上面步骤求出两个螺栓剪切面的直径， 因此螺栓的直径ｄ＝ｍａｘ ｔ ｄ。 ，ｄｏ２｝，其他结构参数通 过查询螺栓手册中的参数表。 在ＣＡＴＩＡ按照图１中的参数化建模流程创建 ［３］ 沈燕辉，邹凌华，戴礼强，等．基于ＣＡＴＩＡ标准件参数 化设计及标准件库建立［Ｊ］．汽车工程师，２０１２（９）：５３ —５５． ［４］ 王晓友．基于ＣＡＴＩＡ的三维参数化建模方法及其应用 ［Ｊ］．汽车零部件，２０１２（３）：５５—５８． ［５］ ＣＡＭＢＡ Ｊ Ｄ，ＣＯＮＴＥＲＯ Ｍ，ＣＯＭＰＡＮＹ Ｐ．Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ＣＡＤ ｍｏｄｅｌｉｎｇ：Ａｎａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｕｓ— 螺栓零件的参数化模型，上面两个例子都有详细介 绍，此处不再详述，通过拉伸、旋转切除、螺纹等特征 操作命令得到六角螺栓模型，如图５。 ａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２０１６，７４：ｌ８—３１． ［６］ 王永岗，杨利杰．ＣＡＴＩＡ三维参数化建模技术及其应 用［Ｊ］．机械工程师，２０１４（５）：２００—２０２． ［７］ 孙国栋．基于模型定义的三维参数化建模及数据管理 技术［Ｄ］．沈阳：沈阳理工大学，２０１２． ［８］ 李志学，李若松．ＣＡＴＩＡ实验教程［Ｍ］．北京：清华大 学出版社。２００４． ［９］ 郭晶，赵广东．三维零件参数化建模设计［Ｊ］．科技尚 品，２０１５（１２）：２８． ［１０］ 濮良贵，陈国定，吴立言．机械设计第九版［Ｍ］．北 图５六角螺栓的建模 京：高等教育出版社，２０１２． ４结论 以参数化建模为研究对象，基于ＣＡＴＩＡ简述建 立可重用三维参数化模型的方法。本文的创新点是 通过创建基于草图的特征和变换特征建立三层次不 作者简介：陈蓓（１９９２一），女，研究生，研究方向：航空零件库 开发，发表论文数量：２篇 ． 收稿日期：２０１８—０１—１８ ·１０７·