加强框和梁类零件CATIA建模方法研究
张达
[摘 要]本文主要论述了使用CATIA软件建立长桁类零件数字化模型的有效方法。简要分析飞机长桁形状结构的发展状况。介绍了CATIA软件环境，以及利用在该环境下的建模工具对现代飞机长桁进行建模、设计，为飞机设计制造提供技术支持。分析了一些在建模过程中可能存在的困难，提出了自己的解决方法。对工作中积累的经验进行了总结。
[关键词]CATIA 长桁 下陷 双曲面
中图分类号：S613 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0100-01
引言
近年来，CATIA机械设计软件被广泛应用于多种类型的生产企业，包括航空航天、汽车制造、船舶制造、机车制造、电子电器、其他消费品行业等。它的集成解决方案覆盖了几乎所有的产品设计和制造领域。随着我国制造业水平的提高，CATIA将会被越来越多的企业采用。在单位的日常工作中，CATIA软件的应用也是与我们的工作密不可分的。
现在，我借助CATIA软件，总结了一些类型长桁的建模方法，其中最为重要的，也是在现代飞机长桁的设计中最常见的是双曲度长桁的画法。希望能和大家分享我的建模经验。
1.飞机结构概述
飞机是一种重于空气的飞行器。它是一种依靠自身的动力产生升力来支持其自身在空中飞行的特殊机器。它或用于空运人员、物资，或用于空中作战。
在结构上，飞机有以下几个主要构成部分：
主要用于装载人员、物资和燃料的机身；
主要用于产生升力及装载燃料的机翼；
控制飞行方向和保证飞行稳定性的襟翼、副翼、尾翼及其操纵系统；
用于起飞和着陆的起落架及其辅助系统；
用于导航通信等的仪表、特设系统；
安装动力装置的发动机短舱（有些飞机没有这一结构，它的发动机装在机身内）等。
而本文则主要论述运用CATIA设计软件对于飞机主要承力结构件---长桁的几种建模方法，根据自己在平时工作中的实践，总结经验，以便于巩固和改进。
1.1 长桁的定义及作用
飞机长桁是飞机机身结构的纵向构件。
飞机长桁在桁条式机身中主要用以承受机身弯曲时产生的轴力；另外长桁对蒙皮有支撑作用，它提高了蒙皮的受压、受剪失稳临界应力；其次，它承受部分作用在蒙皮上的气动力并传给隔框。由于它承受的力非常大，是主要的支撑部件，所以在设计和制造中是较为关键的部件。
随着飞机气动布局的发展，飞机的外形越来越适合空气动力学的要求，但与此同时，飞机的机身形状也越来越复杂，通常是有多个曲面相交形成复杂的曲面。飞机长桁是飞机机身的重要支撑，它的形状应与蒙皮的形状相适应，这造成长桁的支撑面要由两个曲面相交才能得出，这样的立体模型通过一般方法很难得到，但是通过CATIA软件，结合适当的方法，可以建立出比较理想的模型。
1.2 长桁的主要材料
由于铝合金重量轻，成本适中等特点，飞机长桁的主要材料多为铝合金，还有少量的结构钢。
长桁的几何外形参数与飞机的总体设计性能密切相关，所以现代飞机中的长桁结构也显示出多样性，结构复杂。在生产过程中，遇到过很多种类型的长桁，如“工”字型、“Z”型、“L”型等。
在这里我简单介绍几种不同类型的长桁的建模方法。
1.3 长桁在飞机中的位置及其结构特点
过去的飞机长桁形状没有复杂曲面，用常规的绘图方法很容易得到，而现在飞机由于空气动力学要求，形状更复杂，其中贴近蒙皮的面形状多为曲面。而长桁轴线面为承受径向力的主要结构，所以有些长桁要求不论贴近蒙皮的面是怎样的曲面，都要保证长桁轴线垂直于贴近蒙皮的曲面。这样，在建模过程中，保持长桁轴线面与蒙皮曲面垂直是十分关键的，这使三维建模有一定的困难。
我将对几种不同特点的长桁建模方法进行比较，介绍几种飞机长桁的建模方法。
2.几种飞机长桁建模的方法
2.1 单曲度无下陷长桁
长桁面为一平面，故长桁拉伸引导线为一直线。直接在长桁端头平面做出长桁截面，然后沿长桁面的方向拉伸Pid，即得到长桁的毛料形状，然后，在根据图纸将长桁的具体形状做出即可。
此类长桁属于最简单的一类长桁，做起来比较简单，用此方法省时省力。
2.2 单曲度带下陷长桁
长桁面为一平面，但由于长桁带有下陷，建模时需考虑下陷处的形状。常见方法有两种：
1）直接拉伸法：
此方法同2.1，但是在做引导线时要注意两点：
（1）引导线应做在长桁平面上；
（2）引导线应将下陷体现出来。
2）截面拼接法：
故名思议，截面拼接法是用好几个长桁截面拼接而成的。即在每个下陷变化面做出长桁截面，然后按截面拼接，再生成实体。这种方法简单明了，作图过程清晰明确。
具体建模过程见图示详解：
①根据图纸分别在长桁的两端头、每个下陷变化处做出相应的长桁截面；
②在非下陷区域处可以使用Pid直接拉伸生成实体，空出下陷处；然后用长桁截面拼接形成下陷处的封闭曲面；
③用Close Surface命令将封闭曲面生成实体，即得到带下陷的长桁实体；
④根据图纸用长桁轮廓或其他方法修整至长桁真实性状。
2.3 双曲度长桁
此类长桁多出现于尾段部分，此处长桁轴线面为一双曲度曲面，故无法采用直接拉伸法，也无法使用截面拼接法，只能使用曲面线架生成实体。
在建模时，此类长桁的关键步骤就是做出正确的长桁轴线曲面，故此处只详细说明长桁轴线面的制作方法，具体长桁形状的生成采用Generative Shape Design Workbench（创成式曲面设计工作台）按机加方法获得，此处不做详细说明。
长桁曲面的具体做法见下图详解：
①首先生成长桁轴线曲面。长桁轴线面是垂直于蒙皮的一个面，但此处长桁面为形状复杂的双曲度曲面，在建模之前应先确定长桁轴线曲面。在Q400飞机的理论数据中，有外方提供的长桁轴线，飞机理论外缘，经过此轴线做一垂直于机身理论外缘的曲面。可以在长桁线上取多个点，然后过每个点做垂直于蒙皮的直线，再用Fill命令将垂直于长桁的直线和长桁引导线生成长桁曲面。此曲面最近似于垂直于蒙皮的双曲曲面----即长桁轴线曲面。
②将长桁轴线面沿垂直于曲面方向增厚生成实体，再用曲面切割（用蒙皮偏移得到的曲面）和抽壳命令得到长桁大概形状。
③由于此类长桁形状复杂，在其上下两弯边都有非常复杂的形状，建模时只要根据图纸利用线架和曲面设计模块将上述生成的实体进行切割修整即可得到此长桁零件的真实形状。
④此类长桁也是非常典型的而且比较复杂的长桁类型，在建模过程中应做到心细、精确、完整。
3.结束语
在对飞机长桁建模的过程中，尤其是对双曲度长桁的建模中，主要的是把握对零件形状的理解，在此基础上进行分析，得出正确的建模步骤。在考虑建模步骤的时候，应该考虑到一些重要的技术要求，例如有些长桁要求必须保证长桁面与蒙皮垂直等因素。总之，最终得到的数模应该满足所有的设计要求。
在建立数模时对建模方法的把握很大程度上来自于在大量建模中得到的经验，以及对建模软件环境的熟練掌握。对遇到的难度较大的数模时，要多考虑过去用过的方法能否结合，以便取得比较好的结果。
4.致谢
欣然对自己以往工作中积累的经验做了总结，并且与大家分享。在论文的编写中，单位领导和师傅给予了我许多帮助和指导，在此感谢在我技术成长中给予我指导的每一位前辈。
参考文献
[1] 范玉青.现代飞机制造技术.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
