CATIA軟件廣泛應用于航空領域的計算機輔助設計、分析和制造等專業。它是產品全生命周期管理的重要組成部分之一，支持項目的方案、詳細設計、模擬分析、裝配和維護等過程。CATIA軟件的應用使設計制造者從繁瑣抽象的二維工作體系中得以解放，減少了重復性的低等級勞動工作，提高產品的直觀性，促進協調完善。結合協同設計平臺，促進了數據高度共享和高效的并行設計工作。
然而從目前的實際工作來看，指導設計的標準規范沒有全面系統地融入面向制造和并行設計的理念。針對應用CATIA軟件進行實體建模的規范并未細化統一，不能夠全面體現行業特點和現代設計理念。因此，在同一標準體系下，出現了各式各樣的實體建模風格，總體上看同一機型設計風格因人而異；此外，具體的工作承接者、其他專業人員以及工藝制造者對模型的解讀難度大。
為了使設計的信息快速準確地被讀取和理解，要有系統、細實的操作規范來指導設計者進行零件的三維建模。同時，在模型設計時要從模型使用者的角度出發，規范模型特征、尺寸參數和技術要求等信息的獲取及操作方法，這樣就不會出現零件信息的誤讀和漏讀。
本文從面向制造、模型繼承以及易于并行設計的角度，同時結合實際工作經驗，分析了應用CATIA進行飛機結構零件建模的規則和方法。通過實例演示，詳細闡述了易于下游工作人員解讀的實體模型的高效表達方式，為現行的建模規范提出了一種更優化的解決方案。
結構建模
零件結構建模是產品全生命周期過程中十分關鍵的環節，要重點體現面向制造的設計思想。零件的建模及相關信息的表達要從制造裝配的工藝審查以及數字化制造的角度出發，確保下游人員通過簡單的操作就能夠全面準確地讀取零件模型和信息。此外，為了節省存儲空間，便于零件的快速修改更新，并保證強度、系統等專業的協同工作順利開展，對建模的具體操作也應加以規定，不利于信息傳遞的操作應當被禁止或限制，冗余無效的建模信息應刪除。這樣，對于同一產品，其整個設計風格和模型表達是完全一致的，零件具有很好的可繼承性，并且非常有利于數字技術的管理。
下面以飛機結構零件中廣泛應用的典型機加件和鈑金零件的CATIA三維模型設計為例，剖析更有利于傳遞制造信息的建模方法。
1.機加零件建模
機加零件建模對象以飛機艙門結構典型的縱梁為例，屬于鋁合金機加零件。
該零件整個幾何體的創建過程如圖1所示，其建模過程基本模擬了零件的加工過程。
圖1 零件整個幾何體的創建過程
首先，創建零件的主實體。主實體必須定義為大于零件最終尺寸的實體，即為給定零件的毛料尺寸。允許使用已定義的參考基準平面、外形曲面進行分割。特別指出，針對含有外形曲面特征的零件，必須按照簡化設計規則，應用滿足容差要求的內部模型線直紋曲面逼近真實外形曲面，作為主實體的邊界定義參考面。這種應用簡化直紋面代替外形曲面的設計，可以較精確地表示零件的機加外部形狀，便于數控編程和加工，降低了機加成本，提高了生產效率。
然后，在完成分割的實體上進行順序去除材料。“銑切”凹槽的步驟全部應用CATIA零件設計模塊下的布爾操作“裝配”工具。其中每一個槽的圓角和底角都是在各自的“裝配”幾何體中創建，典型的結構樹如圖2所示。
最后完成與前面步驟相獨立的零件孔、倒角和外圓角的造型。因為后續的鉆孔、倒角等需要單獨的工序來完成，所以最后定義零件的部分倒角、圓角特征。
該種方法中創建凹槽特征最為關鍵。凹槽定義了模型的局部特征。針對可用同一數控設備加工的凹槽特征，應整合到同一個“幾何體”中。比如，可用三軸聯動數控銑床加工的凹槽特征定義為一類；用多軸聯動數控銑床加工的凹槽特征歸為同一類型特征。完成歸類后，將這些“幾何體”集“裝配”到零件幾何體中。通過重命名定義其制造特性。而凹槽的轉角和底角特征的設計要考慮刀具的選擇，除特殊要求外要力求圓角半徑相同，并且利用CATIA的圓角特征創建圓角，而不是在草圖中定義圓角。同時要對圓角特征重命名，在其名稱中增加圓角半徑值。
這種按照加工工序并歸類相同制造特性進行零件實體建模的方法，大大提高了零件的可識別性，使工藝人員能夠迅速準確地理解零件的設計思想和模型信息，便于CAM軟件快速提取零件的特征信息。
此外，該種建模方法，特別是凹槽特征的定義方法，只對零件的局部特征產生影響，簡化了零件幾何體結構樹，便于零件特征信息的管理，利于零件更改的快速更新，且可以保持良好的工藝一致性。其優勢還在于，提高了零件的可繼承性，工作便于傳承；強度專業等模型的使用者能夠根據自身工作需要，“取消/激活”零件的局部特征，而不會對零件的整體產生影響，很好地促進了并行協同設計工作的開展。
2.鈑金零件建模
飛機結構零件中包含了大量的鈑金零件。該類型零件要求有專門的工藝規范，并會應用到專門的成形設備和模具。因此，便于制造系統讀取零件信息的鈑金零件三維建模方法十分重要。
本節鈑金零件的實例模型如圖所示。
圖2 鈑金零件的實例模型
從面向制造的角度出發，鈑金零件的設計必須應用CATIA航空鈑金模塊。其優勢在于： （1）在其設計環境中可集成現行的行業標準，例如：板材最小彎曲半徑參數、標準減輕孔、下陷和加強槽等特征，在設計時通過選擇相應的標準生成標準特征，可大大減輕設計人員的重復勞動，非常可靠便捷。（2）在進行零件的彎邊設計時，選定不同的彎邊成形方式，傳遞不同的制造信息。該模塊中可供選擇的彎邊成形方式有閘壓成形和液壓成形兩種。在“曲面彎邊（surfacic flange）”和“彎邊（flange）”操作中均可設置成型方式。選擇不同的成形方式，CATIA生成的板材零件成型線有所區別。（3）在CATIA航空鈑金模塊中能夠操作“折疊/展開”按鈕將鈑金零件展開，實例展開圖見下圖。
圖3 鈑金零件實例展開圖
然后，借助CATIA創成式曲面設計模塊中的提取功能，得到鈑金件展開圖的邊界，作為工藝進行板材下料的參考依據。（4）針對復雜型式的鈑金零件，可在設置對話框中設定鈑金零件外型線和內型線為顯示狀態。在零件處于展開狀態時，CATIA內部程序根據設計者先前選定的彎邊成形方式即可生成相應的零件成形線，如圖所示。
圖4 零件成形線
鈑金零件的三維模型表達其最終形式。此外，設計者要在其展開狀態時提取板材邊界、減輕孔類特征的中心參考線和成形線等參考元素，如圖所示，這些參考元素要置于結構樹相應的幾何圖形集里，使工藝制造人員能夠容易獲取。
圖5 鈑金零件的參考元素
鈑金零件的三維模型除體現零件最終成形狀態外，零件成形的關鍵參考元素和信息要包含到模型中，結合三維標注方法以方便工藝人員獲取相應的制造信息并做工藝準備。同時，提高制造系統等應用軟件對零件信息提取的便捷性和準確性。
工作稍顯繁瑣，但是這樣做不影響零件最終結果的表達，而利于不同人員對零件的解讀。特別便于工藝制造人員進行相應的數字化工作。從產品全生命周期管理的角度考量，這樣的設計方法能夠提高零件的制造效率并保證質量。
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對于設計者來說，無論零件的建模步驟區別多大，最終都能得到相同的實體模型。但是從面向制造的設計角度出發，特別是設計制造一體化技術高度發展的今天，作為產品源頭的三維模型，其合理的創建過程并結合零件的三維標注技術，非常利于并行工程的實施。零件設計中融入的制造信息能夠很好地促進制造者對產品的理解，縮短產品的研發周期。
本文通過介紹面向制造的結構零件實體建模的方法，結合實際工作經驗，對現行的行業標準規范進行了簡要分析。
針對應用CATIA進行面向制造的結構零件建模，需要進一步開展的工作包含以下方面：（1）根據現有制造工藝的實際能力和需求情況，從面向制造的角度進一步細化三維建模的標準和規范，保證設計風格一致，減少出錯幾率。（2）對于不同類型的零件，分類規范應進一步明晰。不能是類似一般的軟件使用介紹，而是要結合行業特點，從協同設計的角度出發規范建模，通過具體的實例明確規范的操作行為。（3）從工程實用的角度，針對性地進行軟件的二次開發，集成本行業的標準和常用特征的快速建模模塊，真正實現數字化快速設計。（4）開發模型的快速檢查工具。對于固化的規范要求，可以通過自動檢查發現和更正錯誤，避免人工檢查出現遺漏。
此外，制定規范時，要考慮設計人員的可操作性和承受能力，以及軟硬件的實際情況。
結束語
產品良好的綜合性能主要體現在其功能滿足要求、使用可靠、可制造性強、經濟性好等方面，要從設計、制造、檢驗、使用維護和報廢回收等方面進行全方位評估。作為產品源頭的設計建模至關重要。
本文從面向制造的角度出發，給出了飛機典型結構零件的實體建模方法，旨在提高零件的可讀性和可繼承性，便于工藝制造人員對零件的理解和信息讀取。為并行設計工作的開展和產品的高效高質開發提供一種更合理的模型創建方案。
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本文標題：面向制造的CATIA結構建模方法研究
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