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李海泳 来源：e-works |
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| 本文主要介绍UG软件在某型燃机数字化样机装配过程中的应用，利用Assembly模块完成了某型燃机数字化样机装配（主要为燃机的主机部分，不包括发电机和机组成套部分的内容）。 | |
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主要介绍UG在某型燃机数字化样机装配过程中的应用，利用Assembly模块完成了某型燃机数字化样机装配。
一、前言
Unigraphics （以下简称UG）是一个以预测工程为特色、从设计到制造都可称之为世界领先的软件。它是面向产品、企业级、集成完整的CAD/CAM/CAE解决方案的建立全局产品模型为目标的三维设计与分析软件。
为有效地完成数字化设计与制造任务，集团公司陆续引进了多套UG软件，工程技术人员已经将此软件技术全面应用于航空发动机、燃气轮机、转包产品等计算机辅助设计/辅助制造方面，并已充分显示出其强大的功能且发挥了重要作用。
本文主要介绍UG软件在某型燃机数字化样机装配过程中的应用，利用Assembly模块完成了某型燃机数字化样机装配（主要为燃机的主机部分，不包括发电机和机组成套部分的内容）。
二、UG装配的设计方法
某型燃机是一个典型的单转子发动机结构：15级轴流压气机，20个火焰筒的逆流、环管式燃烧室，4级透平。是由各单元体组成总体发动机。在UG装配中模型零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零件设计完全双向相关，零件设计修改后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配环境下直接修改零件设计；为此针对不同级别装配，我们采取不同的装配建模设计方法。
2.1总体发动机装配建模设计方法
根据某型燃机结构特点，在总体发动机装配中我们采用自下而上装配建模（Bottom-Up Modeling ）方法，先新建一总装配件，依次添加（add Existing…）已存在的子装配件，按不同的装配约束条件，最终完成整机的总体装配。
在装配中，装配约束应正确、完整，不相互冲突，保留运动件正确的空间运动自由度。同时装配中所有约束条件（Mate condition）必须有效，防止出现未加载（Not Loaded）情况发生。
2.2单元体装配建模设计方法
在装配单元体中,根据具体情况分别采用并行的自顶而下（Top-Down Modeling）和自下而上（Bottom-Up Modeling ）两种装配建模设计方法。自顶而下装配建模设计主要采用两种方式：一种是使用UG的WAVE几何链接器；一种是在装配应用的环境中部件间表达式（Inter-part Expressions）建模。
三、基于UG装配建模的策略
某型燃机零件多，结构复杂，完成其数字化样机装配设计不仅需要计算机硬件配置高，而且在装配进行操作时 (如渲染、刷新、旋转…)，也需要很多技巧。在对计算机硬件进行必要的升级后，尽管充分利用硬件资源，虽然取得一定效果，但在操作上仍然花费很长时间，极大影响软件运行的响应速度，为此我们从软件方面采取了以下策略：
3.1．装入选项（Load Options）的设定
装入选项就是控制打开一装配件时，从哪个目录下寻找部件，以及如何装入部件。因我们的零件实体建模是由多个单位集体智慧的结晶，装配结果需要共享，如果不先定义装入选项，各单位装入选项设定不一致时，当打开一装配件时，就会导致零件不能导入的问题，为此必先设定装入选项，统一选取从目录选项（From Directory ），并根据实际选取只载入部分必要的数据选项（Use Partial Loading）。
3.2.引用集（Reference Sets）的设定
引用集就是在一个部件（单个零件或子装配）中定义的命名数据组，用来控制在装配中装入该组件的哪些数据。它的作用减少内存占用和简化显示。过滤多余数据，只保留最终设计的实体或片体，（这些数据仍表示精确数据。）
为便于进行发动机的大装配工作，在完成单个零件、子装配件设计后，应创建两个分别命名为BODY 和FACET 的引用集
3.3．简化表达（Representation ）的使用
简化表达（Representation）是与实体全相关的小平面片，也即在实体表面生成一组小平面片，这些小平面片常称为小面模型(Facet)。使用简化表达会大大提高对大装配进行操作时的性能,并能快速载入大装配文件；快速渲染、刷新、旋转大装配；在间隙分析Clearance Analysis）时，加快干涉分析的速度；快速生成大装配的消隐线视图(Hidden Line Removal)。
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四、基于UG 装配建模的原则
为统一规范，有章可循，我们制定下面的基于UG 装配建模的原则：
1．发动机组件、部件、单元体装配时均以装配约束装配，不以绝对坐标系调用的方法来装配。
2．在装配时，不能用FACET 引用集进行装配约束，必须用BODY 引用集进行装配约束。
3．为便于进行发动机的大装配工作，在完成单个零件、子装配件设计后，应创建两个分别命名为BODY 和FACET 的引用集。
4．BODY 引用集必须自己创建，在零件中BODY 引用集为最终完成的实体。在组件中BODY引用集为参加装配的所有零件及子装配件实体的集合。
5．FACET 引用集为最终实体表面上的小面模型。用户在单个零件模型建立完成，保存之后，由UG 系统自动创建BODY 引用集中实体的小平面表示（即FACET 引用集）。组件的FACET 引用集需由用户手工另行建立。
五、 基于UG装配的数字化样机应用
5.1．单元体装配设计应用
5.1.1自下而上（Down- Top）设计装配方法的应用
自下而上设计装配方法类似我们的总装车间的装配，各制造车间把制造成品集件到总装车间，总装车间完成产品装配。
1.单元体结构件的装配
由于此燃机结构复杂，零件众多，一个装配零件由多个结构零件构成，而此装配零件又是另外一装配零件的子装配，比如压气机、透平转子平衡组件做为转子最终的装配单元，其组成的层次关系见图1。
图1
在压气机、透平转子平衡组件装配时，先新建一单元体装配文件，然后通过添加（add Existing…）已存在的装配好的压气机透平机械转子组件和所有的压气机和透平的叶片按图1层次关系依次添加到装配，完成压气机-透平转子平衡组件单元体装配。（见图2）
图2
2. 标准件、成附件的装配
在装配中标准件、成附件的装配由于数量多，种类多，而且这些零件结构相似，拓扑相关，为此我们在标准件、成附件的设计中优先采用参数化的方法进行建模。同过Tools -〉Part Families… ，在Excel表里把各系列件的参数输入，保存部件族， 后生成部件族的系列Part文件，得到该系列件的完整的部件族三维模型，当用户通过添加（add Existing…）已存在的添加这些标准件、成附件到装配时，选择某一系列尺寸（这些尺寸即该标准件建模的标准参数）后，把选中部件族的系列件添加到装配。（见图3）
图3
5.1.2自上而下（Top-Down）设计装配方法的应用
在单元体装配中，我们也可采用基于自上而下的参数化装配建模技术，UG的装配建模技术完全支持自上而下的设计方法，即先总体设计后详细设计，局部设计决策服从总体设计决策，它采用Context Control技术支持在装配环境中进行零件设计。配合使用UG/WAVE技术和部件间表达式（Inter-part Expressions）技术，可以更好地体现设计人员的设计思想。
UG/WAVE技术的使用是符合参数化产品的设计过程和规则。WAVE技术的使用，不仅使得产品级的设计控制成为可能。而且为产品设计团队的并行工作提供了一个良好的环境。UG/WAVE提供了解决了大型产品设计中的设计更改控制问题的方案，是面向产品级的并行工程技术。有利于提高设计重复利用率。其实现方法为利用UG的WAVE几何链接器，抽取所需特征，通过实体建模方法，
UG的Inter-part Expression 技术使用很方便地实现部件间的尺寸关联，包括几何表达式/数学表达式）的传递。其实现方法为在Expression中选取要关联的变量；选取Creat link按钮；在Select Part表中选取关联目标文件；在弹出的表达式列表中找到关联目标。
例如我们使用wave几何链接器抽取机匣红色面，通过特征建模，完成配合零件安装边的设计。（见图4）
图4
在安装边与机匣的紧固螺栓的装配中，我们采用Interpart Expressions技术，即是在某子装配中在表达式中建立关键变量TheDia和Tol, 按Interpart Expression 技术的实现方法去关联零部件（见图5）。
图5
当改变关键变量直径TheDia值为25时，在安装边与机匣的紧固螺栓的形状也随着改变，我们达到实现部件间的尺寸关联的设计。（见图6）。
图6
5.2．总体发动机装配设计应用
在单元体装配针对不同的情形采用了自下而上设计装配方法和自上而下设计装配方法，而在总体发动机装配采用了自下而上设计装配方法。此燃机的主机部分是一个典型的单转子发动机结构：15级轴流压气机、20个火焰筒组成的逆流、环管式燃烧室、4级透平。
在前面的介绍中我们以完成了单元体装配，总体发动机装配就是按发动机装配总图按总体发动机装配顺序依次添加到装配中。主要考虑单元体与单元体的装配约束。
装配约束反映了单元体和单元体之间的结构关系，并对产品在实际装配时提出要求。装配约束应正确、完整，不相互冲突，保留运动件正确的空间运动自由度。不应添加多余的约束。装配中所有约束条件（Mate condition）必须有效，防止出现未加载（Not Loaded）情况。UG提供了八种装配条件,贴合（Mate）、对齐（Align）、角度（Angle）、平行（Parallel）、垂直（perpendicular）、同心（Center）、距离（Distance）及相切（Tangent）。我们采用贴合（Mate）、对齐（Align）同心（Center）条件较多。
装配约束基本反映了单元体和单元体之间结构关系，但针对具体情形也要相应采用灵活的策略，在4级透平和燃烧室装配设计中，由20个逆流、环管式的火焰筒组成一个环形燃烧室并不是一个理论圆。在与4级透平装配约束时采用同心（Center）和贴合（Mate）装配约束出现装配约束冲突，为此采取如下策略：Assemblies → Components → Reposition Components，选取出现对话框中的7个图标或使用动态坐标系拖动旋转组件即可完成4级透平和燃烧室装配。
六、结论
针对不同级别组件，在进行某型燃机数字化样机装配中分别采用了不同的装配建模设计方法，应用UG装配建模的策略，严格执行装配建模的原则，借助UG装配的强大优势，和大多数工程技术人员的共同努力，历时一个月，完成了某型燃机数字化样机装配。（见图7）
图7
七、总结
由于此发动机零件数目多，结构复杂。按真实模型进行建模的零件装配起来，不但要确定出零、组件的约束关系，而且涉及到各种各样的装配形式。但是随着装配零件的增多，所占空间越来越大，导致显示速度和运行速度会大大降低，为了可以实现1:1的精确模型大装配，必须采取必要的技术手段来实现（比如硬件上采取必要的升级，软件上采取不同的策略方法），更主要的还要培养出一批灵活的运用软件工具的数字化人才。
