整体壁板数字化展开建模方法

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1、整体壁板数字化展开建模方法冰张文俊1，刘婷2，张贤杰2，李仁花1(1．中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司工装工具制造厂，南昌330024；2．西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心，西安710072)[摘要】针对整体壁板零件数字化制造过程中对展开模型的需求，提出了一种整体壁板展开建模流程，针对曲面半径在2500mm以上的小曲率整体壁板零件，运用基于单元等变形的复杂曲面展开方法和基于单元变形能的复杂曲面展开方法对曲面展开，并以型号整体壁板零件为例，分别验证了运用两种曲面展开方法展开外形面及所创建板坯模型的效率和准确性。结果表明，基于单元等变形的复杂曲面

2、展开方法适用于曲面半径在2500mm以上的小曲率整体壁板展开计算，展开的外形面及以此为基础建立的板坯模型形状尺寸准确，效率明显提高。关键词：数字化展开建模；整体壁板；曲面展开；复杂曲面DoI：10．16080／j．issnl67l一833x．2016．13．056张文俊工程师，中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司工装工具制造厂模线设计所副所长，从事工艺数模和模线样板设计技术研究。+基金项目：国家自然科学基金项目(51275420)。56航空制造技术·2016年第13期整体壁板作为重要的飞机结构件，既是构成飞机气动外形的重要组成部分，也是机翼、机身等的主要承力

3、构件，同时还用于地板和油箱等飞机结构的重要部位。自20世纪60年代以来，世界各国的大、中型飞机广泛采用整体壁板作为机翼主要承力构件。由于整体壁板零件具有结构效率高、易于实现等强度设计、密封性好等突出的结构优势，在三、四代飞机及大飞机研制过程中越来越被广泛利用。飞机整体壁板的板坯模型是后期加工的前提。整体壁板的结构要素主要包括基体、长桁、孑L、口框、凸台等。其中，基体是零件的结构主体，外形面和内形面多为曲面，决定了整体壁板的尺寸范围和基本形状；其他结构要素附着于基体上形成零件的局部形状。整体壁板板坯模型建模是在控制面展开的基础上重构内／外形面、映射特征草图轮廓，然

4、后以展开的内／外形面创建板坯基体，以展开的内／外形面及特征草图创建展开结构要素。板坯建模主要分为以下步骤：曲面展开、特征分解、关联映射、模型重构、尺寸检测等。准确、迅速地获得板坯模型是整体壁板快速、精确制造的前提。机翼壁板外形面包含了单曲度外形、双曲度外形以及一些复杂的曲面外形，板坯建模的第一步即是曲面的展开。长期以来，人们对曲面展开计算问题进行了大量的研究，从不同角度提出了各种方法，如经验法、几何逼近法、滑移线法、应力特征线方法、有限元逆算法、几何模拟法等。几何逼近法”‘31用许多小平面去逼近曲面，通过旋转、平移等将所有小平面变换到同一平面上，是一种纯几何的展

5、开方法；滑移线法H1和应力特征线法陋1考虑了曲面零件的材料特性，展开方法更为合理，但是滑移线和应力特征线在构建过程中会受到一定限制，不能用于任意曲面形状的板材坯料计算；有限元逆分析方法计算精度高，但用这种方法首先需要解决边界条件、接触和摩擦等问题，并需要处理材料非线性和几何非线性的耦合问题，而且有限元计算极为复杂，迭代收敛也较难解决，实际应用不便。针对整体壁板件外形面展开，文献[5]提出了四边形网格等面积法确定待定网格点的展开策略，同时提出了确定定义于外形曲面上零件结构信息展开位置的方法。对于曲率复杂的曲面，几何法展开结果存在一定程度的偏差，针对该问题，文献【6

6、】6在几何展开法基础上提出一种基于力学变形的优化展开方法，即最小变形能法，主要从分析、模拟材料中的应力、应变出发，计算材料的展开形状和尺寸，针对同一零件展开结果具有唯一性，然而不足之处在于计算时间长、效率低。本文提出了数字化整体壁板展开建模方法，针x,-t#l-形面曲率半径在2500mm以上的整体壁板零件，从展开的外形和建立的板坯模型两个方面分析两种曲面展开方法的适用性，确定针对该类零件的曲面展开方法，以达到提高板坯建模效率，减少重复工作及失误的目的。整体壁板零件展开建模方法1零件结构分析如图l所示，选取某型号机翼整体壁板零件为对象进行验证。整体壁板零件结构要素

7、通常可以分为两大类：(1)作为壁板基体的厚板结构。(2)附着于基体的结构要素。整体壁板零件主要结构如图1所示，壁板基体的几何要素包括外形面、内形面以及其他增厚内形曲面。外形面作为飞机的理论外形，是整体壁板零件的设计依据。该零件轮廓尺寸为2mX2m，厚度6mm，外形参考面弦向曲率范围为：9．711X10-5_6．618×10。4mm～；展向曲率范围为：0-3．183XlO。6mm～；壁板厚度范围为：1．5～21．6mm；外形尺寸为：1800mrnX2070mm。内形面是以外形面为基础建立的表达壁板基体厚度的几何要素，内、外形面之间一般是非等厚度的。基体上的结构要素

8、主要包括长桁(筋条)、凸