直升机复合材料桨叶接头
填块的自动化三维几何建模方法
赵秋华1,张丽艳1,黄珺2,王洋1
(1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016)
(2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇333001)
针对直升机复合材料桨叶接头填块几何建模过程中存在的效率低、工作繁琐重复等问题，提出了一种桨叶接头填块三维几何建模方法。首先系统归纳了桨叶接头填块中剖面表达的3种类型，提出了一种面向复合材料桨叶接头填块几何建模的参数化表达方案，并利用一个智能向导引导设计人员对桨叶接头填块进行定义和描述，在此基础上由软件算法自动生成桨叶接头填块设计表；根据桨叶理论外形和桨叶接头填块设计表，利用剖面线偏置、混合约束统一和各剖面相对应节点创建样条曲线的方法，实现桨叶接头填块几何模型的自动生成。通过实例验证表明，该方法能够快速、高效地实现复合材料桨叶接头填块的三维几何建模。
桨叶是直升机中的重要部件。由于复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性好、抗疲劳性能好以及结构破损安全性好等优良性能［1］，因此现代直升机旋翼桨叶普遍采用复合材料。复合材料在为桨叶带来优良性能的同时也使得桨叶结构更为复杂。在近20年中，研究者们建立了多个复合材料桨叶结构模型，例如，J.L.Walsh等［2］建立的各向同性的薄壁梁模型，E.Smith等［3］发展的基于Vlasov理论的模型，D.H.Hodges等［4］推出的VABS模型等,但这些模型主要是为了分析桨叶的力学结构特性而建立，相比于复合材料桨叶的真实几何结构都做了大量简化，无法应用于复合材料桨叶结构的精确三维几何建模。运用智能CAD进行三维几何建模是提高设计效率的重要方式［5-8］。然而，对于直升机桨叶结构的快速智能化几何建模的研究却非常少。直至近几年，才见到杨建灵等［9-11］对复合材料桨叶结构的蒙皮铺层进行参数化表示、自动三维几何模型构建以及在此基础上开展的结构特性分析和优化系列研究。然而这些研究主要还是针对桨叶的翼身段，特别是针对桨叶的多铺层蒙皮而开展，对更加复杂的桨叶根部模型表达及其三维几何建模的研究至今还未见公开的报道。
桨叶接头填块的三维几何建模是直升机桨叶根部数字化设计与制造的核心和关键。目前我国直升机设计部门主要还是通过工程图纸来表达桨叶接头填块的设计信息，而建立桨叶接头填块的三维几何模型还只能依靠设计师在三维几何建模软件中的交互操作来完成，由于桨叶接头填块的结构复杂，致使整个建模过程非常繁琐、效率低下。除此之外，核心难点在于：接头填块在桨叶内部起塑型作用，受到大梁带及组件设计约束轮廓线的影响。其中，桨叶主承力构件的大梁带是影响桨叶力学性能的重要因素之一，大梁带剖面面积决定剖面力学性能。因此，接头填块的设计信息中包含组件设计约束轮廓线、大梁带的剖面面积信息及长度信息。然而当前在三维几何建模中，工作人员需要反复调整才能达到在组件设计约束轮廓线下的大梁带剖面面积要求。在这种混合约束下，设计过程繁琐、效率低下且产品质量不高。因此，对高效率、高质量、自动化桨叶接头填块三维几何建模方法的研究具有非常现实的意义......
作者简介：赵秋华（1989—），男，江苏海门人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为CAD/CAM技术。
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