Твердотельное моделирование камеры ракетного двигателя с применением системы CATIA

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана




С.С. Гаврюшин, А.Р. Полянский, Д.А. Ягодников

Твердотельное моделирование камеры ракетного двигателя с применением системы CATIA

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Автоматизация проектирования ракетных двигателей»











Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2012



�ДК 621.455
ББК 39.62
    Г12



Рецензент: В.А. Мартынюк

     Гаврюшин С.С.
Г12 Твердотельное моделирование камеры ракетного двигателя с применением системы CATIA : метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Автоматизация проектирования ракетных двигателей» / С.С. Гаврюшин, А.Р. Полянский, Д.А. Ягодников. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 44, [4] с. : ил.

         Даны методические указания к выполнению лабораторных работ по твердотельному моделированию камеры ракетного двигателя с применением системы автоматизированного проектирования CATIA V5, которые могут быть полезными при использовании системы CATIA V5 в курсовом и дипломном проектировании.
         Для студентов старших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Ракетные двигатели».
         Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК Э МГТУ им. Н.Э. Баумана.

УДК 621.455
ББК 39.62


© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012



               ВВЕДЕНИЕ





   За время обучения в техническом университете студенты знакомятся с целым рядом пакетов САПР: сначала с пакетами разработки плоских чертежей - AutoCAD и КОМПАС, затем с пакетами твердотельного моделирования - SolidWorks, КОМПАС-SD и Inventor.
   Основными преимуществами твердотельного моделирования являются следующие:
   -     при твердотельном моделировании создается точная трехмерная компьютерная модель проектируемого изделия, а не двухмерные чертежи;
   -     созданная трехмерная компьютерная модель дает возможность быстрого автоматизированного построения рабочих чертежей. Получить проекционные чертежи с использованием трехмерной модели часто оказывается быстрее, чем по традиционной технологии конструктора. Еще больший выигрыш времени обеспечивается при построении изометрических видов и различных сечений;
   -     в трехмерную модель удобно вносить изменения, при этом чертежи легко обновляются. Важным моментом трехмерного моделирования является использование параметрических зависимостей при разработке деталей и изделия в целом;
   -     использование трехмерного моделирования позволяет глубже понять технологические особенности изготовления деталей и сборки изделия;
   -     результаты трехмерного моделирования могут быть использованы в модулях инженерных расчетов (массогабаритных, термопрочностных, гидрогазодинамических и т. д.), а также в модулях генерации программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ);
   -     трехмерное моделирование и проводимые на ранних этапах проектирования изделия инженерные расчеты позволяют повысить качество проектируемого изделия и сократить сроки его разработки.

3



  Овладение навыками трехмерного моделирования - достаточно трудоемкий процесс, который должен осуществляться при проведении лабораторных работ, НИРС, в курсовом и дипломном проектировании.
   С повышением мощности персональных компьютеров в последние годы значительно возрос интерес к применению пакета пространственного моделирования CATIA V5, предназначенного для использования в аэрокосмической отрасли. Система CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) - одна из самых распространенных САПР высокого уровня. Это комплексная система автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ), включающая в себя современный инструментарий трехмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства - от разработки эскизного проекта до выпуска чертежей, спецификаций, моделирования оборудования, конструирования технологической оснастки и создания управляющих программ для станков с ЧПУ.


ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ КАМЕРЫ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

   Рассмотрим твердотельное моделирование деталей камеры жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), одна из конструкций которой приведена на рис. 1. Камера ЖРД представляет собой паяносварную конструкцию и состоит из форсуночной головки и корпуса. Корпус, в свою очередь, включает цилиндрический участок и сопло Лаваля. Части корпуса состоят из внутренней и наружной стенок, соединяющихся между собой с помощью пайки по вершинам ребер, выфрезерованных на наружной поверхности внутренних стенок. На форсуночной головке располагаются форсунки подачи горючего и окислителя. На периферии форсуночной головки могут располагаться форсунки завесы. Все форсунки соединены с плоским внутренним и средним днищами, прикрепляемыми к силовому кольцу. Коллектор служит для подачи горючего в каналы охлаждения внутренней стенки корпуса.


4



�ис. 1. Конструкция камеры

   Для изготовления камеры применяют корозионно-стойкие стали и специальные бронзы.
   Детали корпуса камеры: рубашка цилиндра, стенка цилиндра, кольца соединительные и замыкающее кольцо, стенки и рубашки сопла - представляют собой детали, образованные вращением эскиза вокруг оси камеры. Их построение осуществляется на базе геометрического контура камеры сгорания. Геометрический контур камеры, заданный параметрически, показан на рис. 2.


Рис. 2. Геометрический контур камеры

   Геометрический контур обычно состоит из участков прямых линий и дуг окружностей. В ряде случаев отдельные участки контура


5



�адаются массивами координат точек и угла наклона контура. Некоторые варианты значений параметров (мм) заданы в табл. 1.


Таблица 1

Размеры контура камеры

 Номер    dкр   D к    L ц      L       R1    R 2  R с    Da     L ’   
варианта                       Lкс                                     
1         80   208    208    347,3269   72    80   2800  348   862,3104
2         100  260    260    434,1586   90   100   3500  435   1077,888
3        165,8 431,08 431,08 719,835  149,22 165,8 5803 721,23 1787,138
4         250  650    650    1085,397  225   250   8750 1087,5 2694,72 

* Размеры для справок.

   Значения углов (см. рис. 2) принимаем равными 2рвх = 70°, 2Р m = = 40°, 2Р а = 20°.
   После запуска пакета CATIA V5 в верхней части экрана появится главное меню. Выпадающее меню Start дает доступ к основным модулям системы (рис. 3). Выбираем последовательность команд Start > Mechanical Design > Part Design и переходим в окно разработки детали.
   Окно разработки деталей в системе CATIA V5 представлено на рис. 4. В центре расположен графический экран для работы с проектируемой деталью, по периметру - справа и внизу - различные рабочие меню. Для удобства рабочие меню можно перетаскивать мышью в различные области за отличительный прямоугольник. В левом верхнем углу графического экрана находится Дерево спецификаций, в правом верхнем углу инструмент - Компас, в центре расположено поле Plane - поле выбора декартовой плоскости построения эскиза: xy, xz или yz. С помощью Компаса удобно перемещать и поворачивать деталь относительно декартовой системы координат или других деталей сборки.
   Создание объемных объектов состоит из четырех этапов: создания замкнутых плоских эскизов; создания объемных объектов на основе плоских эскизов; операций стыковки объемных объектов; операций окончательной доработки твердотельных объектов.


6



�ис. 3. Меню Mechanical Design

Рис. 4. Окно системы CATIA после запуска пакета

7



  В системе CATIA V5 представлен очень широкий набор функций, расположенных на различных панелях инструментов. Ниже указаны основные панели, используемые при твердотельном моделировании деталей:
   Standard - операции для работы с файлами;
   Knowledge - операции чтения значений параметров из внешних файлов;
   View - операции для работы с видами;
   Profile - операции построения плоского эскиза;
   Operation - дополнительные операции построения плоского эскиза;
   Constraints - операции для работы с размерными ограничениями и связями параметрической модели;
   2D Analysis, Tools - инструменты для анализа эскизов;
   Measure - инструменты измерения; с помощью инструмента Measure Between можно измерить различные расстояния; инструмент Measure Item позволяет измерить отдельную деталь, а инструмент Measure Inertia - физические атрибуты выбранного твердого тела, такие, как объем, масса, положение центра тяжести и т. д.;
   Sketch-Based Features - инструменты создания SD-модели по эскизу;
   Transformation Features - инструменты преобразования SD-модели;
   Reference Elements - инструменты построения ссылочных элементов при трехмерном моделировании;
   Dress-Up Features - дополнительные инструменты SD-моделирования.


Стенка камеры


Рис. 5. Пиктограмма Sketch

   Для начала моделирования стенки камеры нажмем иконку Sketch (рис. 5) и перейдем к операции построения плоского эскиза. В качестве рабочей плоскости с помощью поля Plane выберем плоскость xy.
   Построим контур камеры до критического сечения (вариант 1), полагая, что ось сопла совпадает с осью абсцисс, а центр критиче

8



�кого сечения сопла расположен в начале координат. Найдем центр окружности, дающей скругление контура сопла в критическом сечении. Для этого в панели инструментов Profile выберем команду Point by Clicking и затем, щелкнув левой кнопкой мыши в произвольной точке рабочей плоскости, получим точку Point.1.
   Уточним координаты этой точки. Для этого установим указатель курсора на выбранную точку (при этом указатель курсора изменит свою форму) и нажмем правую кнопку мыши. В контекстном меню перейдем к пункту Point. 1 object > Definition. В открывшемся диалоговом окне Point Definition введем значения координат H = 0 мм и V = 120 мм. Точку определим как конструктивный элемент (рис. 6). Зафиксируем положение этой точки (Point.1 object > Fix).


Рис. 6. Диалоговое окно Point Definition

   Проведем через эту точку окружность радиусом 80 мм. Зафиксируем положение окружности (Circle.1 object > Fix). После этой операции возле точки и окружности появляются значки фиксации -якорьки.
   Проведем приближенно линию, определяющую цилиндрический участок камеры, из точки с координатами (-350, 104) в точку с координатами (-100, 104). Значения координат начальной точки (Start Point) и конечной точки (End Point) введем в появившемся окне.


9



  Построим прямую - образующую конического участка камеры. Для этого проведем отрезок прямой с углом наклона 145°. Координаты концов линии можно уточнить в меню Line Definition. Затем в меню Constraint установим связь Contact Constraint и, перемещая построенный отрезок параллельно самому себе за середину, добьемся его касания с окружностью (при этом появляется специальный значок касания).
   Скругление цилиндрической и конической частей выполним с помощью операции Corner (панель инструментов Operation), радиус скругления равен 72 мм. Уточним положение начальной точки цилиндрического участка таким образом, чтобы расстояние от нее до точки сопряжения составляло L c = 208 мм. Описанные построения представлены на рис. 7.


Рис. 7. Построение контура камеры

   Проведем отрезок конструктивной кривой, ограничивающей контур справа. Координаты начальной и конечной точек этой кривой равны соответственно (0, 0) и (0, 220). С помощью команд Trim, QuickTrim и Break, расположенных на панели инструментов Relimitations, удалим часть окружности и отрезок наклонной прямой. С помощью команды Axis (панель инструментов Profile) проведем ось камеры, совпадающую с осью абсцисс (рис. 8).

10