《航空发动机结构计算机辅助设计》以航空发动机结构为对象，通过实例详细介绍和解释计算机辅助设计软件——中望3D的功能、模块、命令和应用。《航空发动机结构计算机辅助设计》共8章，分别为航发结构、辅助设计、草图*线、*线*面、特征建模、装配动画、运动模拟和结构实例。

目录
第1章 航发结构 001
1.1 航空发动机主要类型 001
1.2 喷气航空发动机构型 003
1.3 喷气航空发动机单元 004
1.3.1 压缩单元 004
1.3.2 燃烧单元 005
1.3.3 做功单元 007
1.3.4 排气单元 008
1.4 课后习题 009
第2章 辅助设计 010
2.1 计算机辅助设计简介 010
2.2 国外的辅助设计软件 011
2.3 国内的辅助设计软件 012
2.3.1 软件介绍 012
2.3.2 使用准备 014
2.3.3 文件操作 019
2.3.4 辅助信息 021
2.4 课后习题 025
第3章 草图*线 026
3.1 基础要素 027
3.1.1 点或点集 027
3.1.2 两点直线 027
3.1.3 三点圆弧 028
3.1.4 多点圆形 028
3.1.5 多点椭圆 029
3.1.6 多点矩形 030
3.1.7 多点槽口 030
3.1.8 气泡文字 031
3.2 进阶*线 031
3.2.1 快速绘图 031
3.2.2 桥接*线 031
3.2.3 偏移*线 032
3.2.4 中间*线 033
3.2.5 样条*线 033
3.2.6 二次*线 034
3.2.7 点云*线 034
3.2.8 拟合*线 035
3.3 *线编辑 035
3.3.1 *线圆角 035
3.3.2 *线倒角 036
3.3.3 *线修剪 036
3.3.4 *线延伸 036
3.3.5 *线断开 037
3.3.6 *线修改 037
3.3.7 *线连接 038
3.3.8 *线转换 039
3.4 其他功能 039
3.4.1 方程*线 039
3.4.2 参考提取 040
3.4.3 图像插入 040
3.4.4 克隆变换 041
3.4.5 几何约束 042
3.4.6 几何标注 042
3.4.7 重叠查询 043
3.4.8 重新定位 044
第4章 *线*面 045
4.1 面上*线 046
4.1.1 边界*线 046
4.1.2 相交*线 046
4.1.3 桥接*线 046
4.1.4 过点*线 047
4.1.5 *面素线 048
4.1.6 *面斜线 048
4.1.7 分型*线 049
4.1.8 剖面*线 049
4.2 提取*线 050
4.2.1 投影*线 050
4.2.2 缠绕*线 050
4.2.3 轮廓*线 051
4.2.4 组合*线 051
4.2.5 中心轴线 052
4.2.6 螺旋*线 052
4.2.7 修剪*线 052
4.2.8 绕轴*线 053
4.3 基础*面 054
4.3.1 圆角*面 054
4.3.2 桥接*面 054
4.3.3 直纹*面 055
4.3.4 素线*面 055
4.3.5 拔模*面 055
4.3.6 有限*面 056
4.3.7 修剪*面 056
4.3.8 圆顶*面 057
4.4 *面编辑 057
4.4.1 *面偏移 057
4.4.2 *面扩大 058
4.4.3 *面延伸 059
4.4.4 *面分割 059
4.4.5 *面修剪 060
4.4.6 *面反转 060
4.4.7 *面合并 060
4.4.8 *面展开 061
第5章 特征建模 062
5.1 草图特征 063
5.1.1 拉伸特征 063
5.1.2 旋转特征 063
5.1.3 扫掠特征 063
5.1.4 变化扫掠 065
5.1.5 杆状扫掠 065
5.1.6 放样特征 066
5.1.7 驱动放样 066
5.1.8 双轨放样 066
5.2 实体特征 068
5.2.1 实六面体 068
5.2.2 圆柱特征 068
5.2.3 球体特征 068
5.2.4 圆锥特征 069
5.2.5 实椭球体 069
5.2.6 圆柱齿轮 071
5.2.7 圆锥齿轮 071
5.2.8 蜗轮蜗杆 071
5.3 局部特征 073
5.3.1 圆角特征 073
5.3.2 倒角特征 073
5.3.3 拔模特征 073
5.3.4 孔洞特征 075
5.3.5 筋板特征 075
5.3.6 螺纹特征 075
5.3.7 唇缘特征 075
5.3.8 带线特征 077
5.4 特征编辑 077
5.4.1 偏移*面 077
5.4.2 抽壳实体 078
5.4.3 加厚*面 079
5.4.4 布尔运算 079
5.4.5 分割修剪 081
5.4.6 简化置换 081
5.4.7 拉伸成型 082
5.4.8 克隆变换 083
第6章 装配动画 084
6.1 装配创建 085
6.1.1 添加组件 085
6.1.2 新建组件 085
6.1.3 替换组件 086
6.1.4 编辑组件 087
6.1.5 合并组件 087
6.1.6 提取组件 087
6.1.7 参考提取 089
6.1.8 克隆组件 090
6.2 装配约束 090
6.2.1 固定约束 090
6.2.2 重合约束 091
6.2.3 相切约束 092
6.2.4 同心约束 092
6.2.5 位置约束 092
6.2.6 置中约束 094
6.2.7 对称约束 094
6.2.8 坐标约束 094
6.3 运动耦合 095
6.3.1 啮合约束 095
6.3.2 路径约束 096
6.3.3 线性耦合 097
6.3.4 螺旋约束 098
6.3.5 槽口约束 098
6.3.6 凸轮约束 098
6.3.7 十字约束 099
6.3.8 带轮约束 100
6.4 装配分析 101
6.4.1 约束状态 101
6.4.2 干涉检查 101
6.4.3 间隙检查 101
6.4.4 剖面视图 102
6.4.5 装配标注 103
6.4.6 装配注释 103
6.4.7 视图爆炸 103
6.4.8 动画演示 108
第7章 运动模拟 113
7.1 组件定义 114
7.1.1 主模型体 114
7.1.2 模型转换 114
7.1.3 运动刚体 114
7.1.4 运动驱动 115
7.1.5 参数标记 116
7.1.6 数据采集 116
7.1.7 解算方案 116
7.1.8 方案计算 118
7.2 基础运动 118
7.2.1 旋转运动 118
7.2.2 滑动运动 119
7.2.3 圆柱运动 119
7.2.4 螺旋运动 119
7.2.5 球面运动 121
7.2.6 平面运动 121
7.2.7 胡克运动 121
7.2.8 固定运动 123
7.3 约束耦合 123
7.3.1 点线约束 123
7.3.2 线线约束 124
7.3.3 点面约束 125
7.3.4 齿轮齿条 125
7.3.5 齿轮耦合 126
7.3.6 线缆耦合 126
7.3.7 万向节副 126
7.3.8 通用耦合 127
7.4 结果分析 128
7.4.1 数据测量 128
7.4.2 初始位姿 128
7.4.3 运动播放 128
7.4.4 干涉检查 130
7.4.5 运动轨迹 130
7.4.6 区域分析 131
7.4.7 图表结果 132
7.4.8 报告记录 132
第8章 结构实例 134
8.1 风扇转子 134
8.1.1 结构介绍 134
8.1.2 特征建模 135
8.1.3 装配动画 141
8.1.4 运动模拟 147
8.2 可调静叶 151
8.2.1 结构介绍 151
8.2.2 特征建模 151
8.2.3 装配动画 156
8.2.4 运动模拟 160
8.3 弹性支承 165
8.3.1 结构介绍 165
8.3.2 特征建模 166
8.3.3 装配动画 170
8.3.4 运动模拟 173
8.4 矢量喷管 179
8.4.1 结构介绍 179
8.4.2 特征建模 180
8.4.3 装配动画 182
8.4.4 运动模拟 189
参考文献 198

第1章航发结构
　　1.1航空发动机主要类型
　　狭义上，航空发动机是航空装置的动力来源。广义上，航空发动机的研制和生产是航空工业发展的核心环节，所以其也是航空技术发展的动力来源。根据结构类型、工作原理和能量转换的差异，航空发动机主要分为活塞式、喷气式和电动式三种形式。
　　如图1.1所示，活塞航空发动机作为一种典型往复式热机，主要以汽油或柴油为燃料，包含活塞、气缸、连杆和*柄轴等部件。工作时一个气缸单*完成一个工作循环，包含吸气、压缩、做功和排气四个过程。由于活塞航空发动机工作时只输出功率，所以其主要通过带动螺旋桨间接产生驱动飞机前进的拉力。活塞航空发动机除了单缸构型，还可以包含两个或多个气缸从而形成其他构型。例如，典型的四缸水冷直列［如Charlie Taylor为莱特飞行者（Wright Flyer）打造的发动机］、两缸气冷对置［如Ray Poole和Robert Galloway打造的Aeronca E107发动机］、12缸液冷V型［如罗罗（RollsRoyce）公司的Merlin发动机］和18缸气冷星型［如普 惠（Pratt & Whitney）公司的R2800 Double Wasp发动机］。
　　图1.1活塞航空发动机
　　如图1.2所示，喷气航空发动机，通常也被称为燃气涡轮航空发动机，本质上是一种利用空气介质作为工作流体并通过喷气推进提供反作用推力的航空推进装置。喷气航空发动机主要包含压气机（离心或轴流）、燃烧室、轴、涡轮和喷管等组件，其中高压压气机、燃烧室和高压涡轮三大组件统称为核心机。喷气航空发动机的工作循环与四冲程活塞航空发动机基本相似。空气由进气道进入发动机，在压气机中减速增压后进入燃烧室和燃油（航空煤油）混合燃烧，高温高压燃气在涡轮中膨胀做功后驱动旋转部件（涡轮转子—轴—压气机转子），尾气*后经收缩、收缩—扩张或矢量喷管高速喷出产生推力。
　　图1.2喷气航空发动机
　　如图1.3所示，电动航空发动机是一种根据电磁感应定律将电能转化为机械能的航空推进装置。电能可以由蓄电池（如罗罗公司的“创新精神”飞机和西门子公司的“Extra 330LE”飞机）、太阳能（如瑞士远程实验的“阳光动力2号”飞机和空客公司的西风无人飞机）或混合动力［如空客/罗罗/西门子公司的“EFan X”混合动力飞机和德国宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt，DLR）工程热力学研究所的“HY4氢燃料电池”飞机］等提供。与活塞航空发动机类似，电动航空发动机主要产生拉力而较少产生直接推力，因此它主要通过电动机—螺旋桨组合的方式产生牵引力或短距/垂直起降升力。相比前两种航空发动机，电动航空发动机采用电能更加绿色环保。
　　图1.3电动航空发动机
　　从以上介绍可以看出，无论是活塞航空发动机、喷气航空发动机还是电动航空发动机，它们驱动飞机前进的原理都是牛顿第三定律的实际应用，即通过加速空气或燃气并将其高速喷出得到作用于航空装置的反作用力（拉力或推力），类似的例子常见于草坪浇水装置，如图1.4所示。因此，航空发动机推进力的产生是一种内部现象，而不是像通常所认为的那样，由于空气或燃气对大气施加压力所产生。
　　图1.4草坪浇水装置
　　1.2喷气航空发动机构型
　　活塞航空发动机构型*简单，结构可靠性*高，但其输出功率较低，限制了其在高速飞机上的进一步应用。目前活塞航空发动机主要装备在一些低速飞机上，用于农业灌溉、特技飞行和教学训练等。从能效、环境和噪声等方面考虑，直接或间接利用电能的电动飞机是*环保的航空装置，具有很大的发展潜力。然而目前，它们不可避免地面临巡航半径、装载能力和飞行速度等棘手问题。
　　如图1.5所示，传统喷气航空发动机及其衍生形式虽然构型更为复杂，在设计、制造、试车和维护等方面都更加困难，但目前仍是航空装置高效推进的主要选择。根据不同的性能要求（推重比或功重比、耗油率、稳定性、可靠性和使用成本等）和结构类型（单轴、双轴、三轴、齿轮传动和矢量推力等），喷气航空发动机主要分为涡轮喷气式（涡喷）、涡轮风扇式（涡扇）、涡轮螺旋桨（涡桨）和涡轮动力轴（涡轴）四种类型。
　　图1.5喷气航空发动机构型
　　涡喷航空发动机是所有喷气航空发动机中*简单的类型。它由进气道、包括高压压气机、燃烧室和高压涡轮在内的核心机以及尾喷管组成。燃气在喷管内加速到高速并排出，直接提供推力，适用于超声速飞行飞机。
　　涡扇航空发动机是在涡喷航空发动机的基础上，通过在前端增加一级/两级单*风扇来提高燃油效率和空气流量。因此，它通常有两个或三个通过转轴连接的压气机组件和涡轮组件（低压转子、中压转子和高压转子）。
　　涡桨航空发动机可以看作是一种特殊的涡扇航空发动机，它的风扇级由减速箱和螺旋桨代替。与涡喷航空发动机和涡扇航空发动机相比，其几乎所有输出功率都用于驱动低速螺旋桨，排出燃气不会提供显著的推力。
　　涡轴航空发动机是在涡喷航空发动机的基础上进行优化以产生高效的输出动力而不是直接推力。它由额外的动力涡轮从排出燃气中提取能量并将其转化为轴动力。它在原理上类似涡桨航空发动机，适用于直升机。
　　除上述四种典型喷气航空发动机构型，为满足特殊的性能要求，工程师不断提出构型和工况更为复杂的喷气航空发动机。例如，冲压式、开放风扇转子式、脉冲式、火箭式、齿轮传动涡扇式、螺旋桨—风扇组合式、涡轮—火箭组合式等。虽然各类喷气航空发动机在推进方式和结构类型上存在差异，但整体上并不彼此孤立，而是紧密联系和相互借鉴，共同构成了较为完善的航空装置喷气推进体系。
　　1.3喷气航空发动机单元
　　1.3.1压缩单元
　　在喷气航空发动机中，空气的压缩主要是在压气机中完成。根据空气流动路径和压缩方式，压气机主要有离心式和轴流式两种类型。
　　图1.6离心压气机
　　离心压气机（一般为单级）轴向尺寸小，径向尺寸大，结构更可靠，也更容易制造。相比之下，轴流压气机（一般为多级）轴向尺寸大，径向尺寸小，可压缩更多空气，获得更高增压比。
　　如图1.6所示，离心压气机包含一个用来加速空气的叶轮和一个用来提高空气压力的扩压器。叶轮由轮盘及其单侧或两侧的径向叶片组成，与压气机机匣形成收敛通道。径向叶片可以是直的，也可以是后掠延伸的，但都向叶轮中心沿旋转方向弯*，以匹配进口气流。扩压器有与叶轮相似的叶片，但其叶片通道是发散的，可以将空气动能更好地转化为压力。
　　如图1.7所示，轴流压气机中转子叶片和静子叶片交替排列，实现空气压缩和导向。多级转子轮盘通过焊接或螺栓紧固在一起，并将具有翼型截面和扭转形状的转子叶片沿周向和轴向固定在转子轮盘上。定子叶片也具有翼型截面和扭转形状，通常直接安装在压气机机匣上。为获得更高的增压比，压气机的前几级通常采用可变进口导叶以主动控制气流。
　　图1.7轴流压气机
　　1.3.2燃烧单元
　　在喷气航空发动机中，高压空气和燃油（航空煤油）的混合及燃烧主要在燃烧室中完成。随着技术和工艺的发展，三种主要类型的燃烧室（多管、环管和环形）被研发和应用，如图1.8所示。
　　图1.8燃烧室类型
　　多管燃烧室具有*立的火焰筒和空气机匣。这种燃烧室是由早期的惠特尔燃烧室发展而来的，常用于带离心压气机的航空发动机上。
　　环管燃烧室有多个*立的火焰筒和一个共用的空气机匣。这种燃烧室结构紧凑性好，可以看作是多管燃烧室和环形燃烧室之间的过渡方案。
　　环形燃烧室只有一个环形的火焰筒和空气机匣。这种燃烧室具有体积小、重量轻、效率高等显著优点，还引入了空气喷雾型燃油喷嘴。
　　如图1.9所示，在燃烧室中，来自压气机的约20%高压空气通过锥形口（多孔扩展段8%和漩涡叶片12%）进入火焰筒主燃区，与喷嘴供给的燃油一起燃烧。其余的空气进入火焰筒与空气机匣之间的环形空间，其中约20%的空气通过火焰筒上的气流孔进入主燃区。未用于燃烧的高压空气在环形空间沿着火焰筒向后继续流动，其中约40%用于冷却火焰筒壁面，剩余20%通过气流孔进入火焰筒稀释区用于降低燃气温度。