1、沈阳航空航天大学课 程 设 计某型民机机身站位面（站位点）框 CAD 三维设计 学 院 航空航天工程学部班 级 94030501学 号 2009040305007姓 名 车家旺指导教师 秦政琪沈阳航空航天大学2012 年 11 月 10 日沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 书院（系） 航空航天工程学部 专业 飞行器制造工程（航空维修工程与技术）班级 94030501 学号 2009040305007 学生姓名 车家旺 课程设计题目 某型民机机身 9144 站位面框 CAD 三维设计 课程设计时间 2012 年 11 月 12 日至 11 月 30 日 地点 校内 课程设计内容及要求：内容
2、：1.了解飞机 CAD 建模规则，了解飞机数字化设计制造方法；2.了解飞机机构；3.熟悉 CATIA 软件；4.确定某型民机机身 9144 站位面框相关参数；5.采用飞机数字化设计路线，对某型民机机身 9144 站位面框结构进行设计；6.绘制二维装配图 1 份（不要求打印） ；7.完成论文 1 篇，要求不少于 5000 字。指导教师 年 月 日学生签字 年 月 日摘要本次飞机 CAD/CAM 课程设计是通过对某型飞机机身隔框的分析，运用飞机构造学等知识，查询飞机设计手册，利用 CATIAV5R20 进行绘制以及装配设计某型民机机身 9144 站位面隔框。本套隔框设计的是环形钢框式加强框，设计标
3、准是既要满足装配工艺性的要求又要满足互换性的要求。在CATIA 中，实体模型的建立是从草图绘制器开始的。然后根据草图创建特征，同时可以结合一个实体多个特征完成零件的制作。而将创建的不同零件按照配合关系装配在一起则成了产品。整个过程体现了 CATIA 软件的优越性，区别于传统绘制，明显的显现出了 CATIA 在飞机制造行业的应用范围及前景。关键词：CAD/CAM；CATIA；隔框；结构工艺性目录第 1 章简单介绍 11.1 数字化技术发展及前景 .11.2 CATIA 简介 .1第 2 章 框组成及受力分析 .42.1 框分类 .42.2 框的受载分析 .42.3 框的连接形式 .5第 3 章加
4、强框设计 63.1 加强框载荷分析 .63.2 加强框的选择 .73.3 框的结构 .73.4 框开口设计 .73.5 框设计方案确定 .8第 4 章 9144 站位点框设计 .94.1 框的设计 .94.1.1 框板设计 .94.1.2 框板剖面形状及厚度设计 94.1.3 框板弯边 .104.1.4 桁条缺口的选用 114.1.5 工艺孔和减轻孔 .114.1.4 框板连接接头 124.1.5 连接长桁的定位角片 134.1.6 框的装配 134.2 其他零件连接说明 144.3 框板零件的协调 144.4 二维装配图 .14第 5 章 总结 16参考文献 .17沈阳航空航天大学 课程设计
5、0第 1 章简单介绍1.1 数字化技术发展及前景数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计的内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等。归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数据管理是核心。数字化制造是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程，是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。 数字化设计制造的本质是产品设计制造信息的数字化，是将
6、产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，应用数字技术对设计制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，从而在数字空间中完成产品设计制造过程，即制造对象、状态与过程的数字化表征、制造信息的可靠获取及其传递，以及不同层面的数字化模型与仿真。数字化设计制造技术是指利用计算机软、硬件及其网络环境，实现产品设计制造管理的一种技术。具有精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、敏捷化、集成化及管理创新发展趋势。数字化产品与传统产品的区别改模拟量为数字量传递。国外飞机制造业应用三维数字化技术大致分为三个阶段：部件数字化样机阶段，全机数字化样机阶段，数字化生产方式阶段。未来数字化产品制造企业具
7、有的三大特征：、全过程数字化：产品从市场需求开始，概念设计、初步设计、详细设计、实验仿真、生产制造、市场营销、售后服务、甚至产品报废的全生命周期各个环节均实现数字化；、全方位数字化：同一产品涉及的每一个基层企业、研究所、公司总部所在科研、生产、管理及经营中实现全面数字化；、全产品数字化：产品本身所包括的机械系统、发动机、光学仪器等配套的产品全部采用数字化设计，形成全机数字化产品模型。 1飞机数字化技术的发展和使用对现代航空制造业产生了深远影响，由 CAD-CAE-NC-CAT 和PDM 等先进技术代替了传统手工方法，省去了大量的模线、样板、样件和工装等模拟量传递，成为了优质、高效、低成本的先进
8、技术，从整体上改变了传统的工程研制过程和及其技术体系。1.2 CATIA 简介CAD/CAM 即计算机辅助设计与制造,其含义是指产品设计和制造人员根据产品设计和制造流程,在计算机系统的支持下,进行设计和制造的一项技术。一般讲,一个完整的 CAD/CAM 系统是由计算机、外围设备及附加生产设备等硬件和控制这些硬件运行的指令、程序即软件组成。CATIA 是法国 Dassault System 公司的 CAD/CAE/CAM 一体化软件，居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。
9、2CATIA 包括了机械设计，曲面造型，工程分析，电子设计，人机工程等一百多个模块。在世界CAD/CAB/CAM 领域中处于领先地位。CATIA 被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业；它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，满足了工业领域各类大、中、小型企业的需要。尤其在航天业，有八成以上的厂商使用 CATIA 软件。波音飞机公司使用了 CATIA 完成了整个波音 777 的零件设计和电子装配，创造了业界的奇迹，从而确定了 CATIA 在沈阳航空航天大学 课程设计1CAB/CAM/CAD 行业中的领先地位。由于 CATIA 模块很多，我们不能每个都学会，
10、在我们常用的基础模块包括：基础结构设计（Infrastructure ） 、机械设计（ Mechanical Design） 、外形设计（Shape） 、工程分析 3。机械设计（Mechanical Design）是我们学习的重点，包括常见的部件设计、装配设计、草图、工程图等 4。沈阳航空航天大学 课程设计2沈阳航空航天大学 课程设计3第 2 章 框组成及受力分析2.1 框分类框分为普通框和加强框，普通框用于维持飞机外形固定蒙皮、桁条；加强框用于承受来自机翼、尾翼、起落架、发动机和货物的集中力并把这些力传到蒙皮上。框的自身平面内刚度较大；借助于蒙皮能很好地承受自身平面内的横向弯曲。框的典型截面
11、如图 2-1，框剖面上有内外缘和腹板，它能承受框平面内的弯曲和剪切载荷。为了提高框的生存力，经常把框做成几个闭合的部分。 5图 2-1 机身框典型剖面形状2.2 框的受载分析普通框受力：气动力为圆形：环向拉力；非圆：局部弯曲应力 机身弯曲变形引起的压力；一般不存在强度问题；大型飞机变形可能大，需检查弯曲刚度。 6图 2.2 普通框受力分析加强框受力：承受来自机翼、尾翼、起落架、发动机和货物的集中力并把这些力传到蒙皮上。较强的缘条和较厚的腹板组成。由于我们选取环形框，下面只分析环形框受力图。沈阳航空航天大学 课程设计4图 2-3 环形框受力图2.3 框的连接形式环形框既与蒙皮相连又与桁条相连。如
12、图 2-4图 2-4 环形框与桁条相连1蒙皮；2桁条；3框；4弯边；5角片沈阳航空航天大学 课程设计5第 3 章加强框设计3.1 加强框载荷分析加强框与结构型式和参数与机身外形、内部装载布置、集中力大小、性质以及支持它的机身结构的特点有密切关系。图 3-1 环形框在集中力作用下的内力分布.在法向集中力和集中力矩作用处，框缘截面的弯矩值最大2). 法向集中力和切向集中力相比，前者产生的弯矩较大，其最大值为 RP/4，而切向集中力产生的最大弯矩值约为 RT/16。因此，当 T=P 时，法向集中力产生的最大弯矩值为切向集中力产生的最大弯矩值的 4 倍。上述曲线不能作为强度计算的依据，工程梁假设不适宜
13、机身的强度校核；实际上刚框的内力分布与刚框截面形状、框缘形状与尺寸、蒙皮对框的支持情况等因素有关；实际刚框真实的内力分布必须通过有限元数值分析或者试验才能获得。 7沈阳航空航天大学 课程设计63.2 加强框的选择在框设计前，外缘轮廓线已经确定，传到刚框上集中力大小、方向也已给定，其他设计条件如工艺也确定。首先估算刚框内的内力M，计算相对载荷M/H，其中H为框缘高度，同时考虑制造能力。若截面高度较大而截面弯矩不是很大，组合式较合理。因为腹板较薄，缘条能充分发挥作用。反之，若框截面弯矩大截面高度小，采用锻压的整体构造。整体框由缘条、腹板、支柱用整体毛坯直接机械加工而成。3.3 框的结构 采用优化设
14、计的方法，将框设计成等强度曲梁。布局优化，趋势：整体件（疲劳性能优越、重量轻，不符合损伤容限设计，要特别重视结构细节设计和总体应力水平的控制） 。图 3-2 环形框的结构形式3.4 框开口设计一般框腹板开口形状尽量设计成圆形，减小应力集中。表 3-1 框的选择沈阳航空航天大学 课程设计73.5 框设计方案确定 所以，我们从 9144 站位点截面处框外载、内力、剖面的初步分析可得，该处为加强框，承受来自机翼、空气动力载荷集中力并把这些力传到蒙皮上。从表 3-1 中我们可看出选择由整体式疲劳性能好，框缘高度较小，对于承受机翼传来的交变载荷十分有利；用锻造毛坯经数控加工而成，对于较大的整体框，毛坯锻
15、制加工比较困难我们选择分段制造。沈阳航空航天大学 课程设计8第 4 章 9144 站位点框设计4.1 框的设计首先以给出的飞机气动外形为设计基准，通过 CATIA 中的偏移命令 ，向里偏移 2mm,留出蒙皮的厚度，再以站位面 9144 为辅助基准，然后以站位面 9144 为偏移平面 ，向飞机机头方向偏移20mm,最后通过分割命令 ，割出站位面 9144 的截面（图 1-1） ，这 20mm 就是隔框外缘宽度，再通过封闭曲线命令 封闭图形，使它形成实体。然后再用凹槽 、盒体 等命令来完成框的设计。4.1.1 框板设计以飞机气动外形为设计基础设计出结构外形如图 4-1 所示的框板结构。该框是加强框
16、，根据表 13-2 得知，该框框高 160mm，图 4-1 隔框4.1.2 框板剖面形状及厚度设计该框的剖面选用“L”字形，该剖面定位基准稳定可靠，加工工序集中，一次装夹定位加工大部分的部位。各框板的厚都均为 2.0mm.沈阳航空航天大学 课程设计9通过 CATIA 零件设计，先绘制草图 封闭曲面抽壳 倒圆角保存管理。如图 4-2 所示。图 4-2 隔框4.1.3 框板弯边为了满足框板承力的结构工艺性，各框板均由钣材弯制而成，弯边的形式有三种：直弯边、凸弯边和凹弯边。9144 站位点框板采用凸弯边，弯边的尺寸是根据 HB0-17-2003 标准确定。如图 4-3 所示。框板：由于 =2.0mm
17、，取 h=20mm；r=4mm。LY12 最小弯曲半径 r=1.6=8mm ，上述所选板弯零件弯边圆角半径均大于所选材料的最小弯曲半径。因此，零件在加工过程中，弯曲处的材料会断裂的机会大大降低。通过 CATIA 零件设计，先绘制草图 凸台拉伸抽壳 倒角保存管理。弯边生成，如图 4-4 所示。图 4-3沈阳航空航天大学 课程设计10图 4-4 框板弯边4.1.4 桁条缺口的选用根据桁条选用的型材为 XC111，HB0-23-1983。所以框板上的桁条缺口选用的是角形型材的缺口设计，选用标准 HB0-31-1983。通过 CATIA 零件设计，绘制草图 凹槽倒角保存管理。行条缺口生成，如图 4-5
18、 所示。图 4-5 桁条缺口4.1.5 工艺孔和减轻孔由于装配和成形工艺的需要，框板上需要制出装配定位孔和系统通孔等各类工艺孔。各框板上设计有坐标定位孔，用于在框板装配型架上确定零件的正确的位置以便于定位装配。在满足框板结构工艺性的前提下，为了减轻不必要的重量，因此各框板上应开有减轻孔，减轻孔沈阳航空航天大学 课程设计11根据金属结构减轻孔 HB0-12-83 标准设计而成，取 D1=100mm 根据具体的框板工艺性确定具体数目为4 个/板。通过 CATIA 零件设计，绘制草图 凹槽保存管理。制孔生成，如图 4-6 所示。图 4-6 减轻孔设计4.1.4 框板连接接头各隔框通过 L 型角材进行
19、连接，该板材选用材料为 LY12M，采用凸弯边的弯边形式，结构简单，工艺成本低。通过 CATIA 零件设计，绘制草图 凸台拉伸抽壳 倒圆角保存管理。T 型角材连接接头生成，见图 4-7 所示。沈阳航空航天大学 课程设计12图 4-7 框板连接接头4.1.5 连接长桁的定位角片根据标准 HB 8070-2002 角材选择角片尺寸 H=15mm，S=1mm,倒角半径 2mm，如图 4-7.角片设计时， 1.用装配设计，直接把角片零件与分段框装配，但遇到问题相合接触约束不好使 2.用肋的命令沿曲线构造角片实体，但是我用曲面截取的时候，出现实体截后只能保留一段（多截面时方向一致） ，这样还使得是重复工
20、作。最后还是通过拉伸，抽盒的命令完成角片。如图 4-8.图 4-7 角材图 4-8 角材设计4.1.6 框的装配对于装配问题，处理时可以有两种方法 。其一通过对零件在装配约束关系的基础上实现的，对合作完成部件的设计比较方便；其二是直接在装配模块我们通过自上而下的建模方法，这对于由单人完成的零部件设计建模比较方便 8。如图 4-9沈阳航空航天大学 课程设计13图 4-9 装配图4.2 其他零件连接说明如无特殊说明,钣金零件的连接均应用普通铆接。4.3 框板零件的协调互换指批生产中，同一种零件之间，在尺寸和形状方面的一致性。协调至相配合的两种零件在尺寸和形状方面的一致性。互换性不仅要体现协调准确度
21、，还要求制造准确度，而协调只体现协调准确度，因而具有互换性的零件，必将是协调的，所以协调是保证互换性的必要条件，在钣金零件制造中，不但要求协调，而且要求互换。互换，包括完全互换和不完全互换。而对飞机钣金零件，不一定要求完全互换，但要求完全协调。4.4 二维装配图如图 4-10 所示沈阳航空航天大学 课程设计14图 4-10 二维装配图沈阳航空航天大学 课程设计15第 5 章 总结CATIA 课程设计使我逐渐更多的掌握了 CATIA 软件的基本操作方法，了解到了该软件的设计思想。通过这次课程设计，我从对 CATIA 只有初步的认识到现在可以独立的完成飞机钣金件的三维造型与装配，也学会了用 CAT
22、IA 绘制工程图。通过这次实践，我对飞机钣金工艺的理论知识有了更深的理解，在设计的过程中翻阅了大量的参考书及手册，让我对钣金零件的设计和制造有一个新的认识。可以说短短的几天里我学会了许多许多知识，受益匪浅。同时，我也感受到了自己对 CATIA 的了解还很肤浅，有很多功能还不会使用，这也坚定了我继续努力学习 CATIA 的决心。在以后的日子里在老师同学的帮助下我一定会更加完善的掌握 CATIA 软件的各种模块。最后诚挚地感谢秦老师在这期间对我悉心教导！沈阳航空航天大学 课程设计16参考文献1 张汉茹.飞机数字化建模技术基础.沈阳航空工业学院出版社 ,2007 年 8 月2 尤春风. CATIA V5 高级应用M. 北京: 清华大学出版社 ,20053 李学志. CATIA V5 实用教程.清华大学出版社,20044 曾洪江. CATIA V5 机械设计从入门到精通M, 北京: 中国青年出版社 ,2004.75 冯元生.飞机结构设计 .国防工业出版社， 1985 6 王志谨. 飞机结构设计 国防工业出版社 ,2002 年 8 月7 王宝忠.飞机设计手册第十册结构设计.航空工业出版社 ,2000 8 程宝渠.飞机制造协调准确度与容差分配M.北京航空工业出版社,1985.5
