摘 要：本文针对涡轮通用零部件花键、圆弧端齿和涡轮轴，先经过初步设计将限制条件和尺寸驱动参数连接起来；再通过对UG二次开发完成的参数化建模实现了对零件及特征模型的快速建模和快速修改，验证了参数化设计方法的便捷性，同时在单个零部件参数化建模开发完成之后将其整理成了一整个的典型零部件建模系统，减少其在设计过程中的重复劳动，节省设计时间。
关键词：参数化；设计方法；涡轮典型零部件；设计流程
中图分类号：TP391 文献标识码：A
1 引言
航空发动机结构设计是计算与实验相结合，理论与经验相结合的复杂的过程。伴随着CAD/CAE技术在航空发动机领域内越来越广泛的应用以及参数化设计的发展，国内外已有许多学者将参数化建模引入发动机的设计和分析过程中，并对此进行了大量研究。本文是基于一个成熟的花键、圆弧端齿、涡轮轴设计方案，引入参数化设计思想，提出其快速建模的方法，以满足工程设计中的需求，降低设计过程中反复修改尺寸带来的重复建模工作量，在此基础上整理已有程序，为涡轮设计生成一个典型结构件建模系统。
2 花键、圆弧端齿、涡轮轴结构形式及特点
2.1 花键及其结构设计
花键在航空发动机压气机和涡轮中是很常用的一种零件，它主要借助键齿连接传递扭矩。本文主要讨论广泛应用于航空发动机上的渐开线花键。绘制花键主要参数有：模数m、齿数z、压力角α、大径De，内花键的齿根圆或外花键的齿顶圆的直径、小径 Di，内花键的齿顶圆或外花键的齿根圆的直径以及分度圆直径 D。压力角α可以取30°、37.5°和45°；齿根分为平齿根和圆齿根。根据三种齿形角和两种齿根规定了四种基本齿廓，在对花键进行参数化建模时，四种齿廓作为四种拓扑结构供用户单项选择，内外花键形式作为两种拓扑结构供用户单项选择，用户仅仅需要输入模数m、齿数z、拉伸起始位置和拉伸终止位置即可，其余的参数可以通过这些参数计算得出。
2.2 圆弧端齿及其结构设计
圆弧端齿是一种特殊结构形式的端齿盘，其轮齿呈弧形，由专用机床磨削加工而成，本文进行参数化建模研究的是两侧齿面不同的固定式、单排结构形式的圆弧端齿。圆弧端齿的主要设计参数包括圆弧端齿内外径、齿宽、齿数和模数、齿顶倒角、过渡圆弧设计等。选择圆弧端齿外径时推荐两种方式：一种方式是利用扭矩-端齿外径经验关系曲线图来选择端齿外径，第二种方法是根据公式进行计算。齿宽常常选为圆弧端齿外径的0.125倍，以保证齿面轮径向的弧度合适。如果端齿外径已经确定，那么可以根据径节确定齿数。齿顶倒角高由式T=f2×m确定；齿顶倒角推荐角度范围为20°～30°。
2.3 涡轮轴及其结构设计
对输出轴做输出功的涡轮称为动力涡轮，动力涡轮分为定轴涡轮和自由涡轮两种，真实的自由涡轮轴上包含小孔、倒角和套齿等小尺寸结构。考虑这些细节的精细建模可能因为分网等原因使得计算结果失真，因此，参数化模型时对结构进行部分简化。不考虑套齿、花键、轴孔等结构特征的简化涡轮轴，可视作一个经复杂截面回转360°而成的实体。
3 花键、圆弧端齿涡轮轴的参数化设计
3.1 花键的参数化建模
首先对花键进行手动建模，对UG进行二次开发。根据上一节提到的花键建模所需参数，设计出MFC对话框，作为参数化建模的人机交互的用户界面；对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量；声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数；建立草图，再经过一系列函数及程序的调用，完成特征创建，最后得到给定条件的花键。
3.2 圆弧端齿的参数化建模
参照实际加工过程，完成圆弧端齿的手动建模，根据上一节提到的圆弧端齿建模所需参数，设计出MFC对话框，作为参数化建模的人机交互的用户界面；对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量；声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数；生成圆弧端齿底座，即带孔圆台；通过函数的调用生成圆弧端齿的三个齿形面，对生成的三个面进行缝合，再通过修剪实体修剪出该实体；将修剪出的实体进行阵列，与前面生成的带孔圆台进行布尔求差得到圆弧端齿。
3.3 涡轮轴参数化建模
首先对涡轮轴进行手动建模，对UG进行二次开发。根据上一节提到的涡轮轴建模所需参数，设计出MFC对话框，作为参数化建模的人机交互的用户界面。然后，对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量；声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数；利用函数建立草图，创建特征（回转）将第一步生成的涡轮轴草图以X方向（即涡轮盘轴向）为旋转轴，旋转360度，即可生成涡轮轴的三维图，对键槽草图进行拉伸和阵列，创建键槽。
4 参数化建模系统的建立
4.1 参数化建模
本文所包含的参数化的建模是通过UG软件二次开发实现，并通过编写二次开发程序完成人机交互平台，使参数化建模通过这个人机交互平台实现，设计人员将尺寸驱动参数的具体量输入到用户界面中的相应位置，平台通过二次开发程序将模型输出到UG中，实现建模。二次开发使用UG API系统，支持C，C++语言。首先，设置Windows环境变量，然后逐一更改新建项目的属性：包括附加目录、运行库、附加库目录、附加依赖项等。
4.2 各特征设计模块集成应用
本文开发的涡轮盘典型特征参数化设计模块所适用的CAD平台为UG NX，编制语言为VS编程平台下的MFC对话框技术。实现功能为在UG中呼出自行设计的用户操作界面，按照界面中的指示输入设计此结构所需要的尺寸及位置定位参数，程序执行完毕后自动生成满足设计要求的几何模型。VS平台开发UG参数化建模二次开发程序时，需要对程序项目属性进行设置，保证其包含UG＼OPEN中所用到的函数库。各设计模块程序在VS平台编译运行结果为DLL格式应用程序文件，此文件可在UG中直接菜单浏览执行，也可以制作为用户菜单，将各参数化设计模块功能集成于UG人机交互界面菜单中。
结语
本文将参数化设计思想引入到花键、圆弧端齿、涡轮轴结构设计中，提出并建立了一种快速建模的方法。该方法旨在满足工程设计中的需求，降低设计过程中反复修改尺寸带来的重复建模工作量，将设计人员从大量的重复劳动中解放出来。
参考文献
[1]应济，张万利.基于特征的参数化建模技术的研究[J].机电工程，2003.
[2]虞跨海，李立州，岳珠峰.基于解析及特征造型的涡轮冷却叶片参数化设计[J].推进技术，2007.
