一种具有复杂特征的双曲率长桁展开加工方法技术领域
本发明属于飞机数字化制造领域，涉及一种基于设计数模的长桁
展开方法，具体涉及一种具有复杂特征的双曲率长桁展开加工方法。
技术背景
飞机总体结构中，长桁零件作为机身纵向承力构件，被广泛应
用于机翼、机身等飞机结构当中，是最重要的构件之一。该类零件的
形状同时受结构件装配环境与用户具体需求影响，导致造型多样，形
状复杂。在成型工艺上，若直接进行铣削加工，加工时间长，加工效
率低，材料去除量大。因此，通常采用的是先加工出展开状态下的长
桁，再通过弯扭实现长桁的最终成型。与前者相比，后者所需毛料体
积更小，加工时间短，加工成本低，同时能获得更好的长桁整体性能。
现有的长桁展开方法是以长桁轴线为展开基准进行特征传递，该
方法忽略了加工过程的材料变形，多适用于结构简单，曲率变化平缓
的长桁零件。而目前国内研制的大型飞机，其长桁长度均大于过去各
类机型，外形也更扭曲复杂，同时长桁上还存在大量的分割、斜切等
外部特征。以长桁轴线为基准的展开方法无法保证目前长桁零件的展
开精度要求。
发明内容
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种具有复杂特征的
双曲率长桁展开加工方法。本发明实现方法如下：
一种具有复杂特征的双曲率长桁展开加工方法，利用长桁设计数
模建立展开的长桁主体数模，按长桁主体数模加工出展开的长桁主体，
具体步骤如下：
步骤一：确定长桁设计数模的中性线与展开基准线
(1－1)去除长桁设计数模中的所有外部特征，仅保留工字型长
桁主体数模
(1－2)作出长桁设计数模各肋平面与长桁基准线的交点
Pi(i＝1,2,3,...n)，分别过Pi作出长桁基准线的法平面，将所有法平
面与长桁主体数模相交，得到长桁肋站位截面Si(i＝1,2,3,...n)
(1－3)计算出各长桁肋站位截面Si形心坐标，并在截面内作出
形心点P形i(i＝1,2,3,...n)
(1－4)过所有形心点P形i作一条样条线，即为中性线，量取中
性线长度L，在空间中任意作一平面作为展开平面，在展开平面内做
一条长度为L的直线，即为展开基准线；
步骤二：建立展开的长桁主体数模
(2－1)量取各形心点P形i在中性线上的长度，按同样的长度在
展开基准线上作出点P展i(i＝1,2,3,...n)
(2－2)分别以点Pi为原点，Pi法平面的法矢量方向为X轴，Pi
在长桁立筋面的矢量方向为Z轴建立右手笛卡尔坐标系Pi－XYZ，同
理，在展开基准线上的P展i作出相应的右手笛卡尔坐标系P展i－
X'Y'Z'，利用坐标传递，分别将肋站位截面Si从坐标系Pi－XYZ，传
递至坐标系P展i－X'Y'Z'
(2－3)以展开基准线为引导线，利用传递后的肋站位截面作出
展开长桁主体数模；
步骤三：在展开的长桁主体数模上添加长桁外部特征
(3－1)提取长桁设计数模中所有的斜切起始点，孔轴心点，圆
角位置点等几何特征点，分别量取每个几何特征点距长桁底面的距离
和距长桁基准面的距离
(3－2)将所有几何特征点投影到长桁基准线上，按照步骤(2-1)
将投影后的点传递至展开基准线上，结合步骤(3-1)量取的尺寸，
在展开长桁主体数模上作出展开后的几何特征点，并通过连接斜切起
始点作出切割线
(3－2)对照长桁设计数模，利用展开后的几何特征点和切割线，
在展开的长桁主体数模中作出斜切、孔、圆角等外部特征；
步骤四：按展开的长桁主体数模加工出长桁主体。
通过以上步骤实现了复杂特征的双曲率长桁展开加工。本发明利
用肋站位截面作为主体长桁的构造截面，保证了长桁在装配位置上的
尺寸准确，并且展开精度更高。
附图说明
图1是具有复杂特征的双曲率长桁实例
图2是肋站位截面示意图
图3是在长桁1肋站位截面建立坐标系
图4是传递后长桁1肋站位截面
图5是展开后长桁的主体数模
图6是提取设计长桁中几何特征点
图7是传递后的长桁几何特征点和切割线
图8是展开后长桁数模
图中编号说明：、1、1肋站位截面S1；2、形心点P形1；3、点P1；
4、中性线；5、长桁基准线；6、P1－XYZ坐标系；7、传递后的1肋
站位截面；8、P展1－X'Y'Z'坐标系；9、点P展1；10、展开长桁基
准线。
具体实施方式
以图1所示的飞机双曲率长桁为例，该长桁与飞机壁板贴合，与
1肋至16肋存在装配关系，总长为8771.2mm，并且底面扭曲复杂，
在长桁下腹板面中每个肋站位前后均存在分割特征，是典型的具有复
杂特征的双曲率长桁。本方法适用与各种CAD软件。本实例是基于达
索公司的CATIA软件实现，结合附图，说明具有复杂特征的双曲率长
桁展开方法，具体实施过程如下：
步骤一：确定长桁设计数模的中性线与展开基准线
(1－1)利用CATIA中取消激活命令，去除长桁设计数模中的所有外
部特征，仅保留工字型长桁主体数模。
(1－2)作出设计数模中肋平面与长桁基准线的交点
Pi(i＝1,2,3,...16)，分别过交点作出长桁基准线的法平面，将所有
法平面与长桁主体数模相交，得到长桁肋站位截面Si(i＝1,2,3,...n)。
(1－3)计算出各长桁肋站位截面Si形心坐标，并在截面内作出形心
点P形i(i＝1,2,3,...n)，本示例中，长桁肋站位截面Si由三个矩形与
一个弓形组成而成，如图2所示，其中，弓形半径为R,圆心角为θ，
由此分别计算各长桁肋站位截面形心P形i(i＝1,2,3,...16)的坐标
(yi,zi)：
A-上腹板顶面到长桁底面距离、B-上腹板底面到长桁底面距离、
C－下腹板顶面到长桁底面距离、D-下腹板底面边缘到长桁底面距离、
I－上腹板宽度、J-立筋宽度、K－下腹板宽度、Y-截面坐标系的Y轴、
Z-截面坐标系的Z轴
y i = Σ j = 1 4 A j y ‾ j Σ j = 1 4 A j = 0 , z i = Σ j = 1 4 A j z ‾ j Σ j = 1 4 A j = A 1 z ‾ 1 + A 2 z ‾ 2 + A 3 z ‾ 3 + A 4 z ‾ 4 A 1 + A 2 + A 3 + A 4 ]]>
其中：A1＝(A-B)IA2＝(B-C)J
z ‾ 1 = ( B + C ) / 2 ]]>A3＝(C-D)K z ‾ 3 = ( C + D ) / 2 ]]>
A 4 = R 2 ( θ - sin θ 2 c o s θ 2 ) / 2 , z ‾ 4 = R - 4 R sin 3 θ 2 3 ( θ - sin θ ) ]]>
(1－4)过所有形心点P形i作一条样条线，即为中性线，量取中
性长度8777.2mm。在空间中任意作一平面作为展开平面，在展开平
面内做一条长度为8777.2mm的直线，即为展开基准线。
步骤二：建立展开的长桁主体数模
(2－1)量取形心点P形i在中性线的长度，按同样的长度在展开
基准线上作出点P展i(i＝1,2,3,...16)。
(2－2)如图3所示，以点P1为原点，P1法平面的法矢量为X轴，
P1在长桁基准面的法矢量为Z轴建立右手笛卡尔坐标系P1－XYZ。同
理，在展开基准线上的P展1作出相应的右手笛卡尔坐标系P展1－
X'Y'Z'，利用坐标传递，利用CATIA中轴系变换功能分别将1肋站位
截面从坐标系P1－XYZ，传递至坐标系P展1－X'Y'Z'，如图4。重复此
步骤，传递其余的15个肋站位截面。
(2－3)如图5，以展开基准线为引导线，利用传递后肋站位截面
作出展开长桁主体数模。
步骤三：在展开的长桁主体数模上添加长桁外部特征
(3－1)如图6所示，提取设计数模中所有的斜切起始点，孔轴心
点，圆角位置点等几何特征点。分别量取每个几何特征点距长桁底面
的距离和距长桁基准面的距离。
(3－2)将所有几何特征点投影到长桁基准线上，按照步骤(2-1)
将投影后的点传递至展开基准线上，结合步骤(3-1)量取的尺寸，
在长桁主体数模上作出展开后的几何特征点，连接所有斜切起始点，
绘制切割线，如图7。
(3－2)对照长桁设计数模，利用展开后的几何特征点和切割线，
作出斜切、孔、圆角等外部特征，完成展开长桁建模，如图8。
本发明根据中性层变形过程中应变为零的原理，通过确定中性层
中的中性线，并以中性线为基准完成长桁主体的建模，随后再传递长
桁几何特征点作出长桁内所有外部特征通过中性线实现长桁拓扑信
息的传递，展开精度更高，更加符合工程实际需要。