范澤兵，胡 楊，吳 鋒，何培壘

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西南昌330000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車(chē)臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱高空臺(tái))承擔(dān)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研驗(yàn)證和考核鑒定試驗(yàn)任務(wù)[1]。不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)因安裝結(jié)構(gòu)、尺寸及接口等方面存在差異，其對(duì)試車(chē)臺(tái)架工藝系統(tǒng)的要求有所不同，就是同一型號(hào)不同批次發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)臺(tái)架的要求也會(huì)隨著研發(fā)進(jìn)度而發(fā)生變化。因此，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)時(shí)，常需要根據(jù)不同型號(hào)不同批次發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)臺(tái)架的要求進(jìn)行臺(tái)架適應(yīng)性設(shè)計(jì)。目前，我國(guó)高空臺(tái)試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)存在零部件通用性不高、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致臺(tái)架設(shè)計(jì)工作量大、效率低等問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用三維軟件開(kāi)發(fā)出參數(shù)化的零部件結(jié)構(gòu)、建立標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)對(duì)零件進(jìn)行整體驅(qū)動(dòng)，可大大減少重復(fù)性勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高效率，這種參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)已在橋梁[2]、汽車(chē)[3]、航空發(fā)動(dòng)機(jī)[4-7]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鑒于參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析確認(rèn)試車(chē)臺(tái)架的典型結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵參數(shù)和約束管理，在構(gòu)建零組件參數(shù)化模型和數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上建立了試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)效率。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)又稱尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于可用一組參數(shù)約束、結(jié)構(gòu)和形狀變化均較小的構(gòu)件[8]。參數(shù)化設(shè)計(jì)分為零件級(jí)和部件級(jí)參數(shù)化設(shè)計(jì)。零件級(jí)參數(shù)化設(shè)計(jì)是運(yùn)用一組變量控制零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。部件級(jí)參數(shù)化設(shè)計(jì)是采用多級(jí)控制參數(shù)，從最上級(jí)向下逐級(jí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直到最下級(jí)的單一變量控制單一特征變型，才完成部件參數(shù)化過(guò)程。多級(jí)參數(shù)驅(qū)動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 多級(jí)參數(shù)驅(qū)動(dòng)流程Fig.1 Multi-level parameter driven process

2.2 模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中產(chǎn)品族劃分的基本方法。將具有相似結(jié)構(gòu)、性能或功能的零部件劃分出一系列模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多變性與零部件標(biāo)準(zhǔn)化的有機(jī)結(jié)合。試車(chē)臺(tái)架也可根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能的不同劃分為不同的模塊，以便于實(shí)現(xiàn)臺(tái)架的模塊化設(shè)計(jì)。

2.3 WAVE技術(shù)

WAVE技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)相關(guān)部件間建模的技術(shù)。體現(xiàn)為自頂向下的設(shè)計(jì)方法，即先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再根據(jù)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行部件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。WAVE技術(shù)在試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)思想與方法上，在進(jìn)行臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確認(rèn)臺(tái)架的布局，然后運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行部件級(jí)、零件級(jí)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試車(chē)臺(tái)架自頂向下的逐級(jí)設(shè)計(jì)。

3 試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

試車(chē)臺(tái)架中回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和對(duì)稱結(jié)構(gòu)零件較多，且發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上的安裝方式較為固定，便于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2，主要包括臺(tái)架參數(shù)化建模和臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)兩部分。

圖2 試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)流程Fig.2 The flowchart of test rig parametric design

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：①試車(chē)臺(tái)架分析——對(duì)臺(tái)架進(jìn)行分類(lèi)，確定需要進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的臺(tái)架，提取臺(tái)架零組件的典型結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵參數(shù)和約束關(guān)系；②模塊劃分——根據(jù)臺(tái)架的功能和結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)架進(jìn)行模塊劃分，并建立重用件庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)；③零部件參數(shù)化建?！⑴_(tái)架零件的參數(shù)化模型；④數(shù)字樣機(jī)建立——運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)建立試車(chē)臺(tái)架的數(shù)字樣機(jī)；⑤參數(shù)化設(shè)計(jì)——運(yùn)用WAVE技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)建立自頂向下的臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

3.1 試車(chē)臺(tái)架分析

通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及臺(tái)架結(jié)構(gòu)，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式及該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的主要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)及試車(chē)臺(tái)架在試驗(yàn)設(shè)備上的安裝如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)臺(tái)架上的安裝Fig.3 Installation on the test rig of aero-engine

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)Fig.4 Main structural features and parameters

圖4示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和主要參數(shù)。其中，與臺(tái)架相關(guān)的主要結(jié)構(gòu)特征包括：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的密封形式、主支點(diǎn)和輔助支點(diǎn)的布置及支撐形式、發(fā)動(dòng)機(jī)最大外輪廓、發(fā)動(dòng)機(jī)管路接口結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)形式。與臺(tái)架相關(guān)的主要參數(shù)為：進(jìn)口直徑，尾噴口最大直徑、總長(zhǎng)、主支點(diǎn)位置、輔助支點(diǎn)位置及安裝角度等。發(fā)動(dòng)機(jī)與臺(tái)架流量管的連接主要有端面壓緊和螺栓連接兩種。發(fā)動(dòng)機(jī)主支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式主要有主支點(diǎn)和主支座兩種。發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)設(shè)備上的支撐形式種類(lèi)較多，如圖5所示。試驗(yàn)核心機(jī)和整機(jī)由于在結(jié)構(gòu)上差異較大，進(jìn)行臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)需分別進(jìn)行。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)布置方式Fig.5 Fulcrum arrangement

3.2 模塊劃分

試車(chē)臺(tái)架按功能可分為流量管、主支點(diǎn)、輔助支點(diǎn)、排氣擴(kuò)壓器、附件等模塊，如圖6所示。模塊化劃分完成后可根據(jù)各個(gè)模塊的特點(diǎn)建立參數(shù)化模型，參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)直接引入該模塊并根據(jù)需要修改模塊的參數(shù)和局部結(jié)構(gòu)。

圖6 試車(chē)臺(tái)架模塊劃分Fig.6 The modular division of the test rig

3.3 零部件參數(shù)化建模

零件參數(shù)化建模是整個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在試車(chē)臺(tái)架分析和模塊劃分基礎(chǔ)上進(jìn)行，是實(shí)現(xiàn)試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)可采取不同的建模和定位方法，建立的參數(shù)化模型允許對(duì)模型的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修改。圖7為流量管收縮段參數(shù)化模型。

圖7 流量管收縮段參數(shù)化模型Fig.7 Parameterized model of flow tube contraction segment

部件參數(shù)化建模在零件參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要是加入了零件之間的裝配約束關(guān)系和關(guān)鍵參數(shù)。流量管等直段組件的參數(shù)化建模如圖8所示。

3.4 數(shù)字樣機(jī)

在完成試車(chē)臺(tái)架零件參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，按模塊劃分結(jié)果建立各個(gè)模塊的參數(shù)化模型，最終建立試車(chē)臺(tái)架的虛擬數(shù)字樣機(jī)，形成參數(shù)化的試車(chē)臺(tái)架模型。

圖8 流量管等直段組件參數(shù)化建模Fig.8 Parameterized model of flow tube straight section component

數(shù)字樣機(jī)是將各個(gè)模塊運(yùn)用參數(shù)化的方法裝配在一起，并根據(jù)各模塊之間的關(guān)系建立幾何約束和尺寸約束。由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不同，試車(chē)臺(tái)架各模塊組件之間以及模塊中各零件的尺寸約束和幾何約束會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，因此建立的試車(chē)臺(tái)架數(shù)字樣機(jī)要適應(yīng)這種變化。

試車(chē)臺(tái)架各段長(zhǎng)度按照式(1)確定：

式中：l為試車(chē)臺(tái)架空氣進(jìn)口到排氣擴(kuò)壓器錐段之間的距離，為定值；ll為流量管長(zhǎng)度，且ll≥3dj，其中dj為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直徑；lf為發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度；lfp為發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口到排氣擴(kuò)壓器進(jìn)口的距離，其值在(0.4～1.0)dw之間，其中dw為發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口最大直徑；lp為排氣擴(kuò)壓器長(zhǎng)度。

臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)，排氣擴(kuò)壓器一般根據(jù)現(xiàn)有排氣擴(kuò)壓器進(jìn)行選配。通過(guò)分析可得到不同直徑下排氣擴(kuò)壓器長(zhǎng)度組合，因此一般情況下lp為可選值。初步確定試車(chē)臺(tái)架各段長(zhǎng)度范圍后，對(duì)流量管各段的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

式中：ldz為流量管等直段長(zhǎng)度，根據(jù)臺(tái)架安裝位置及長(zhǎng)度確定；lss為流量管收縮段長(zhǎng)度；lbc為流量管篦齒段長(zhǎng)度；lcl為流量管測(cè)量段長(zhǎng)度；lzj為流量管轉(zhuǎn)接段長(zhǎng)度；dd為設(shè)備導(dǎo)流盆出口直徑。

試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)除滿足上述條件外，還需考慮試驗(yàn)臺(tái)安裝位置的限制。試車(chē)臺(tái)架主支架、輔助支架只能在試驗(yàn)臺(tái)上的一定范圍內(nèi)安裝(即只能在圖9帶安裝孔位置的部分安裝)。建立數(shù)字樣機(jī)時(shí)應(yīng)初步確定流量管各段的長(zhǎng)度，然后結(jié)合試車(chē)臺(tái)架的安裝條件進(jìn)行調(diào)整。分析現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)參數(shù)，可確定試車(chē)臺(tái)架主輔支點(diǎn)在設(shè)備上的安裝位置范圍，再結(jié)合式(1)～式(4)就可確定試車(chē)臺(tái)架的安裝位置。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Test rig

3.5 參數(shù)化設(shè)計(jì)

與數(shù)字樣機(jī)自下向上的建立過(guò)程相反，試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程則是自頂向下。設(shè)計(jì)時(shí)，首先輸入發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)，根據(jù)式(1)～式(4)初步確定試車(chē)臺(tái)架的總參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)，根據(jù)試車(chē)臺(tái)架的限制條件進(jìn)行調(diào)整直至滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安裝要求。然后根據(jù)確定的總體參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)架進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并逐級(jí)向下進(jìn)行組件設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)并輸出工程圖和零件模型。完成試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)后，需對(duì)臺(tái)架零組件之間及臺(tái)架與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的干涉進(jìn)行檢查并予以避免。同時(shí)，還可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)安裝路徑，避免臺(tái)架與發(fā)動(dòng)機(jī)在吊裝過(guò)程中出現(xiàn)干涉。

4 實(shí)例應(yīng)用

試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)建立的，是運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、WAVE技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)等技術(shù)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)試車(chē)臺(tái)架進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其還具備對(duì)試驗(yàn)艙、發(fā)動(dòng)機(jī)和試車(chē)臺(tái)架的安裝進(jìn)行檢查的功能，確保設(shè)計(jì)的臺(tái)架滿足安裝要求。

試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)已有產(chǎn)品資源和經(jīng)驗(yàn)的有效利用、試車(chē)臺(tái)架產(chǎn)品模塊化配置和部件結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，達(dá)到這一目的基礎(chǔ)是產(chǎn)品模塊化和零部件族參數(shù)化模型的建立。利用模塊化技術(shù)對(duì)試車(chē)臺(tái)架產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分，并以參數(shù)化建模方式建立部件模塊主要結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，基于事物特性表技術(shù)完成產(chǎn)品面向用戶需求的配置。對(duì)于配置的部件模塊模型，通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)將其實(shí)例化，在實(shí)例化的過(guò)程中調(diào)用零部件重用模型庫(kù)中元素。

無(wú)論是產(chǎn)品的三維模型建立還是變異設(shè)計(jì)，都是以參數(shù)化特征造型技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)參數(shù)化造型軟件和二次開(kāi)發(fā)技術(shù)來(lái)建立參數(shù)化模板模型和實(shí)現(xiàn)尺寸變異。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品有效配置和部件參數(shù)化變型，還需要數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的支持。圖10為試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)。圖中，技術(shù)層為試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，功能層在技術(shù)層的支持下完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，數(shù)據(jù)層為試車(chē)參數(shù)化設(shè)計(jì)提供各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖10 試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)Fig.10 Test rig parametric design system architecture

試車(chē)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)功能如圖11所示。臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)和臺(tái)架的主要參數(shù)，系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求自動(dòng)生成臺(tái)架三維模型；獲得臺(tái)架整體模型(圖11)后，可根據(jù)需要進(jìn)一步修改臺(tái)架組件、零件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)(圖12)，保證設(shè)計(jì)的臺(tái)架滿足使用要求。

圖11 試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)Fig.11 Test rig parametric design system

5 結(jié)束語(yǔ)

圖12 流量管參數(shù)化設(shè)計(jì)Fig.12 Flow tube parametric design

試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)的規(guī)范化、可視化和無(wú)紙化，提高試車(chē)臺(tái)架的重用性和通用性。在縮短試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率、降低試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)返修返工和試驗(yàn)成本以及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)獲得的數(shù)值模型還可快速用于其他專(zhuān)業(yè)分析，如測(cè)試布局研究、強(qiáng)度可靠性分析、諧振分析、流場(chǎng)分析等。

試車(chē)臺(tái)架參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用在某型發(fā)動(dòng)機(jī)及某型核心機(jī)臺(tái)架設(shè)計(jì)中，并在其他類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)和試車(chē)臺(tái)架設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用，且取得了明顯的效果。后續(xù)可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和智能化技術(shù)，對(duì)試車(chē)臺(tái)架進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)。