直升機數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計方法研究

陳陽平 高 亮 王 琛 謝 強 丁秋林

1.南京航空航天大學(xué),南京,210016 2.中國直升機設(shè)計研究所,景德鎮(zhèn),333001 3.華中科技大學(xué),武漢,430047 4.中國商用飛機有限責(zé)任公司,上海,200235

0 引言

直升機系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性強,設(shè)計過程中一個子系統(tǒng)的更改對與之關(guān)聯(lián)的其他系統(tǒng)有影響,其他系統(tǒng)也必須更改,往往導(dǎo)致較大的連鎖反應(yīng)[1]。直升機系統(tǒng)的子系統(tǒng)布置密集,不同設(shè)計子空間若不能協(xié)調(diào)一致,就會導(dǎo)致設(shè)計沖突,嚴重時需要重新設(shè)計[2]。傳統(tǒng)的設(shè)計方法中,數(shù)字樣機模型之間缺乏關(guān)聯(lián),設(shè)計人員對哪里有關(guān)鍵鏈接和參數(shù),誰在使用這些關(guān)鍵鏈接和參數(shù)并不清楚,一旦關(guān)鍵鏈接或參數(shù)被修改,相關(guān)更改不及時,會導(dǎo)致設(shè)計的不一致,從而延長設(shè)計周期[3]。

為克服上述直升機設(shè)計的不足,本文提出直升機數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計方法。該方法使設(shè)計人員在設(shè)計時始終關(guān)注區(qū)域內(nèi)的上下文關(guān)聯(lián)模型,通過在直升機數(shù)字樣機模型之間建立鏈接關(guān)系,使設(shè)計人員能及時發(fā)現(xiàn)多專業(yè)并行設(shè)計時相互之間的影響,從而快速協(xié)調(diào)設(shè)計沖突,完成多系統(tǒng)間復(fù)雜的協(xié)同更改。通過建立數(shù)字樣機的區(qū)域?qū)哟螛?對數(shù)字樣機模型進行區(qū)域化計算和更新,數(shù)字樣機檢查人員能夠快速搜索區(qū)域內(nèi)的數(shù)字模型,開展數(shù)字樣機審查工作;設(shè)計人員能夠快速搜索到所關(guān)注的上下文關(guān)聯(lián)模型,開展協(xié)同設(shè)計工作,提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

1 區(qū)域化上下文設(shè)計系統(tǒng)總體框架

直升機區(qū)域化上下文設(shè)計方法有別于傳統(tǒng)的設(shè)計方法,采用該方法進行設(shè)計時,設(shè)計一開始工程師就開展實時上下文設(shè)計,并建立模型鏈接,集中進行數(shù)字樣機檢查,發(fā)現(xiàn)問題后進行上下文的更改和模型鏈接的更新,隨后進行新一輪的數(shù)字樣機檢查,其設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 直升機數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計流程

圖2 區(qū)域化上下文設(shè)計的系統(tǒng)框架

為實現(xiàn)上述設(shè)計流程,本文提出了區(qū)域化上下文設(shè)計系統(tǒng)的總體框架,如圖2所示。圖2中,最上層為用戶層,提供圖形化用戶界面。中間層是功能層,包括區(qū)域化管理功能模塊和關(guān)聯(lián)管理模塊。其中區(qū)域化管理功能模塊提供區(qū)域生成與搜索服務(wù),實現(xiàn)直升機數(shù)字樣機的區(qū)域定義、區(qū)域搜索、區(qū)域查詢和區(qū)域加載。關(guān)聯(lián)管理模塊提供模型鏈接生成和過濾服務(wù),實現(xiàn)鏈接信息加載、鏈接狀態(tài)更新、鏈接影響性分析和鏈接狀態(tài)查詢。最下層為支撐層,提供數(shù)據(jù)管理、電子倉庫、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)和存儲等服務(wù)。

實現(xiàn)區(qū)域化上下文設(shè)計方法,需要研究的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字樣機區(qū)域化表達、數(shù)字樣機區(qū)域的生成與搜索、數(shù)字樣機模型鏈接的表達和數(shù)字樣機模型鏈接的求解。

2 區(qū)域化上下文設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)字樣機區(qū)域化表達

數(shù)字樣機區(qū)域化表達技術(shù)是采用零件幾何空間包絡(luò)體節(jié)點及產(chǎn)品區(qū)域?qū)哟螛鋪肀磉_數(shù)字樣機區(qū)域的技術(shù)。零件數(shù)字模型區(qū)域是數(shù)字樣機區(qū)域的基本單元,數(shù)字樣機區(qū)域為其內(nèi)部全部零件數(shù)字模型區(qū)域的并集。數(shù)字模型區(qū)域為完全包含其實體模型和幾何圖形集的規(guī)則區(qū)域,有多種類型,包括AABB(axis aligned bounding box)區(qū)域[4]、球形區(qū)域[5]、任意向長方體區(qū)域[6]和多面體區(qū)域[7]。由于直升機機體結(jié)構(gòu)平臺、框和梁都采用與機體坐標平面XZ、YZ和XY平行的布局方式,綜合對比這四種區(qū)域表達方式,本文采用AABB區(qū)域來表達數(shù)字樣機區(qū)域。

AABB區(qū)域的長、寬、高與直升機機體坐標系X、Y、Z 3個坐標軸平行,左下角和右上角兩點坐標決定了一個區(qū)域,其點序列的表達為：〈A,B〉=〈(x,y,z),(x′,y′,z′)〉,其中 x ＜ x′,y ＜y′,z＜z′。數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛溆糜诒磉_從零件、組件、裝配件、系統(tǒng)到產(chǎn)品整體的各層次區(qū)域信息,它是一個二元組(D,R),其中,D是n個區(qū)域?qū)哟喂?jié)點的有限非空集合(n＞0),R是D中元素二元關(guān)系的集合,R滿足以下特性：①有且僅有一個節(jié)點d 0∈D,不存在任何節(jié)點d∈D,使〈d,d0〉∈R,稱d0為區(qū)域?qū)哟螛涞母?②除根節(jié)點d0以外的所有節(jié)點,至少有一個節(jié)點d′∈D,d≠d′,使得〈d′,d 〉 ∈ R 。

數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛渑c產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹緊密相關(guān),產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是產(chǎn)品設(shè)計各部門進行信息共享和產(chǎn)品可視化的主要載體,是協(xié)同工作的重要基礎(chǔ)[8],產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的一個上下級裝配關(guān)系與數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛渲衅湎录壛悴考膮^(qū)域節(jié)點一一對應(yīng),圖3a為直升機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,圖3b為對應(yīng)的區(qū)域?qū)哟螛?圖3a中的Ass1和SubAss1的上下級鏈接為SAR1.1,在圖3b區(qū)域?qū)哟螛渲袑?yīng)一個具體的區(qū)域節(jié)點SAR1.1,用于表達SubAss1的區(qū)域。

圖3 直升機結(jié)構(gòu)樹與數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛?/p>

2.2 數(shù)字樣機區(qū)域的生成與搜索

數(shù)字樣機區(qū)域生成是針對直升機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上的零件模型形狀的變化、零部件節(jié)點空間位置的變化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分支的刪除和插入,如圖4a～圖4d所示,計算出這些變化對數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛渲邢嚓P(guān)區(qū)域節(jié)點信息的影響,從受影響的節(jié)點開始,沿該節(jié)點到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹根節(jié)點的路徑,自下而上更新區(qū)域節(jié)點信息。圖4a和圖4b中更新的節(jié)點路徑為 f′→d→c→b→a,圖4c和圖4d中更新的節(jié)點路徑為c→b→a。

圖4 數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛涞淖兓c更新路徑

在數(shù)字樣機區(qū)域生成算法中,采用隊列來管理區(qū)域?qū)哟螛涞乃念愖兓?對層次樹進行更新,根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中對應(yīng)的位置矩陣,自下而上逐級更新和維護區(qū)域?qū)哟螛涞娜繀^(qū)域節(jié)點[9]。數(shù)字樣機空間搜索算法根據(jù)數(shù)字樣機區(qū)域?qū)哟螛?深度遍歷對應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,從數(shù)以萬計的直升機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中搜索出目標區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)子樹,加載子樹中關(guān)聯(lián)的全部數(shù)字模型。

2.3 數(shù)字樣機模型鏈接的表達

數(shù)字樣機模型鏈接表達技術(shù)是用于表達數(shù)字樣機模型內(nèi)部幾何實體集、幾何圖形集和參數(shù)集之間的鏈接關(guān)系的技術(shù)。通過模型鏈接表達產(chǎn)品中的設(shè)計約束,在多模型中的幾何元素和參數(shù)之間建立元素引用或/和參數(shù)關(guān)聯(lián),使設(shè)計意圖貫徹于設(shè)計方案中。為全面分析直升機數(shù)字樣機上下文模型之間的關(guān)聯(lián)影響性,本文采用鏈接關(guān)系圖表達數(shù)字樣機模型的鏈接關(guān)系。

模型鏈接關(guān)系RML(relationship of model link)表達為：RML={O,R},O=(ei,ej)∪(px,py),ei,ej∈E(其中E=EL∪ER,EL為模型中的幾何元素,ER為外部引用元素集);p x,p y∈P(其中P=PA∪EP,PA為模型中的參數(shù)集合,EP為外部引用的參數(shù)集合);EL,ER,PA,EP ?M,M={m1,m2,…,mn}為數(shù)字樣機模型集合,R={rk|rk→(ei,ej)或(px,py)},若rk→(ei,ej)或(p x,p y),且rk≠?,則元素ei和元素ej之間或參數(shù)p x和p y之間存在鏈接關(guān)系r k,即它們所在的數(shù)字模型之間存在模型鏈接關(guān)系。模型鏈接關(guān)系圖 RGML(relationship graphic of model link)表達為 ：RGML=(V,R,T,C),其中頂點集V={e1,e2,…,em}∪{p1,p 2,…,p n}為模型中的幾何元素集合和參數(shù)集合的并集;邊集R表示模型幾何元素或參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,R={e=(ei,ej)|e1,e2,…,em}∪{(p x,p y)|p 1,p 2,…,pn},ei,ej∈ E,p x,p y∈ P;T={t→(ei,ej)∪(p i,p j)|t1,t2,t3,t4}表示鏈接關(guān)系的類別,t1,t2,t3,t4分別代表約束鏈接、概念鏈接、上下文鏈接和參數(shù)鏈接4種鏈接;C={c→(ei,ej)∪(pi,p j)|c1,c2}表示鏈接關(guān)系的特性,c1,c2分別代表“0”和“1”,“0”表示“對等” ,1 表示“被引用”。圖5所示為一個典型的數(shù)字樣機模型鏈接關(guān)系圖,①為M1與M 3中兩個實體間的約束鏈接;②為M1和M 2中兩個幾何圖形之間的概念鏈接;③為M1和M4中兩個幾何元素之間通過外部引用ER建立的上下文鏈接;④為M2和M4中兩個參數(shù)之間通過外部參數(shù)EP建立的參數(shù)鏈接。

圖5 數(shù)字樣機模型鏈接關(guān)系圖

在直升機設(shè)計中,數(shù)字樣機模型鏈接的選用原則為：約束鏈接是零部件之間進行裝配或零件內(nèi)部元素進行約束而建立的鏈接;概念鏈接是非裝配環(huán)境下模型間的內(nèi)外部鏈接,用于建立設(shè)計與設(shè)計或設(shè)計與制造的上下游關(guān)聯(lián);上下文鏈接是在數(shù)字樣機上下文環(huán)境中,模型之間引用外部模型元素作為參考而建立起來的鏈接,用于在數(shù)字樣機有依存關(guān)系的模型之間建立關(guān)聯(lián);參數(shù)鏈接是為參數(shù)化驅(qū)動或參數(shù)共享時所建立的鏈接,用于將子系統(tǒng)設(shè)計為一個參數(shù)化的裝配體。

2.4 數(shù)字樣機模型鏈接的求解

直升機各系統(tǒng)相互擠占有限的機體空間,本文通過數(shù)字樣機模型鏈接的求解對零部件數(shù)字樣機之間的相互影響進行分析,快速響應(yīng)設(shè)計的動態(tài)變化,實現(xiàn)數(shù)字樣機設(shè)計的求解,以提高優(yōu)化和更改效率。為此,設(shè)置鏈接狀態(tài)屬性和求解邊界,將鏈接狀態(tài)分為同步、不同步、半同步和缺失四種狀態(tài),用于跟蹤和控制鏈接關(guān)系。求解邊界包括模型數(shù)量、模型屬性、模型所屬系統(tǒng)和模型成熟度等,用于搜索鏈接關(guān)系鏈中符合特定邊界條件的模型。模型鏈接關(guān)系求解算法從某一模型開始,建立求解模型隊列,根據(jù)邊界條件和鏈接狀態(tài),遍歷數(shù)字樣機模型鏈接關(guān)系圖,從中搜索出與輸入模型連通的鏈接關(guān)系子圖,找到輸入模型變化后所影響的全部數(shù)字樣機模型,以便有針對性地更改設(shè)計。

3 應(yīng)用分析

中國直升機設(shè)計研究所在某型直升機的設(shè)計過程中,采用了直升機數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計方法,設(shè)計員運用嵌入在 PDM(product data management)中的區(qū)域化上下文設(shè)計系統(tǒng)開展設(shè)計。以某型直升機的某框設(shè)計為例,其所在區(qū)域為〈(4793.9mm,-1123.6mm,801.2mm),(5095.7mm,1123.7mm,2768.8mm)〉,如圖 6a所示,從系統(tǒng)中搜索該區(qū)域的上下文關(guān)聯(lián)模型,得到操縱、環(huán)境控制、機體結(jié)構(gòu)、液壓和航空電子等系統(tǒng)的數(shù)字模型471個,其中成品數(shù)字模型29個。全部數(shù)字樣機模型如圖6b所示,這些模型當中與該框相關(guān)的鏈接包括裝配約束鏈接、系統(tǒng)在框上的定位孔上下文鏈接、框參考全機骨架模型的概念鏈接以及框與其他結(jié)構(gòu)件之間的參數(shù)鏈接共183個。

圖6 某型機某框所在區(qū)域的上下文關(guān)聯(lián)模型

中國直升機設(shè)計研究所運用直升機數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計方法,建立了直升機數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計流程,與傳統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計方法相比,在某型直升機研制中縮短了數(shù)字樣機上下文設(shè)計和干涉檢查的時間,系統(tǒng)優(yōu)化和零組件協(xié)同更改的周期明顯縮短,應(yīng)用效果如表1所示,其中區(qū)域級是指含5000～8000個區(qū)域節(jié)點的級別,零組件平均含5～10個零件。

表1 應(yīng)用效果對比

4 結(jié)束語

通過數(shù)字樣機區(qū)域化上下文設(shè)計方法,設(shè)計人員不僅能夠準確、快速地加載所關(guān)注區(qū)域內(nèi)的上下文模型,而且能夠利用模型鏈接關(guān)系的求解進行實時的關(guān)聯(lián)影響性分析和快速更改,提高了直升機設(shè)計效率,縮短了設(shè)計周期。

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