機(jī)翼結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)研究

黃伯源，席 平

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

在復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計過程中，常會因需求變更、質(zhì)量問題、產(chǎn)品優(yōu)化、技術(shù)升級、設(shè)計失誤等原因引起大量的設(shè)計變更［1］。發(fā)生在設(shè)計不同階段的設(shè)計變更會對開發(fā)周期及研發(fā)成本造成一定的影響。飛機(jī)機(jī)翼屬于復(fù)雜產(chǎn)品，其研制過程繁瑣，設(shè)計過程中多學(xué)科知識融合，產(chǎn)品模型間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。按照傳統(tǒng)設(shè)計模式建立的機(jī)翼翼盒三維數(shù)字模型，零件設(shè)計過程相互獨(dú)立，無法在零件間建立有效的相互引用；并行設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)與信息的共享率低，重復(fù)性勞動大；在發(fā)生設(shè)計更改的時候，產(chǎn)品部門間協(xié)調(diào)繁瑣，出錯率、返工率高。所以在機(jī)翼的設(shè)計過程中，需要有效地控制和管理因產(chǎn)品變更所帶來的這一系列問題。

1 關(guān)聯(lián)設(shè)計原理及建立

為解決設(shè)計過程中的上述情況，波音公司在其“夢想B787”設(shè)計時，提出了“關(guān)聯(lián)設(shè)計”這一設(shè)計模式，并且將之評為B787設(shè)計的十大關(guān)鍵技術(shù)之首。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)和CAD設(shè)計技術(shù)支持下，建立全產(chǎn)品的上下游設(shè)計輸入輸出間的驅(qū)動和約束關(guān)系，就是關(guān)聯(lián)設(shè)計［2］。

1．1 關(guān)聯(lián)設(shè)計的原理

利用三維設(shè)計技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行三維模型設(shè)計，存在著產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)之間的相互影響、相互依賴，亦存在著外形、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)自身間的影響與關(guān)聯(lián)。這種關(guān)系天然隱形地存在于產(chǎn)品模型之中，是模型的本身屬性。當(dāng)設(shè)計模型發(fā)生變更時，這種被動隱含在模型內(nèi)部的關(guān)系便呈現(xiàn)出其重要性，如果能主動地控制這些關(guān)聯(lián)關(guān)系，便可以為控制設(shè)計變更提供極大的便利。關(guān)聯(lián)設(shè)計由3個基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成其核心，分別是自頂向下的設(shè)計模式、參數(shù)化設(shè)計以及PDM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

自頂向下的設(shè)計思路要求設(shè)計者先按照產(chǎn)品的需求設(shè)計出產(chǎn)品的基本骨架，然后依據(jù)基本骨架的幾何及參數(shù)信息，依層次構(gòu)建產(chǎn)品模型。這是一種“骨架式”的設(shè)計模式，當(dāng)發(fā)生設(shè)計變更時，下游設(shè)計產(chǎn)品無法對上游模型產(chǎn)生影響，變更影響向下傳播。該設(shè)計思路的最大優(yōu)勢在于能夠?qū)?gòu)成產(chǎn)品的三維零件模型有機(jī)地整合在一起，保證了核心參數(shù)的高利用率，降低了冗余數(shù)據(jù)量。

為了在產(chǎn)品模型間建立相應(yīng)的約束關(guān)系后能夠按照參數(shù)自動地更新三維模型，便需要三維設(shè)計工具支持參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計的核心是基于對圖形數(shù)據(jù)操作的參數(shù)驅(qū)動機(jī)制，它通過修改圖形參數(shù)或改變部分尺寸，自動實(shí)現(xiàn)相關(guān)部分的改動，完成圖形幾何尺寸滿足約束條件的參數(shù)化設(shè)計［3］。參數(shù)化的設(shè)計過程存儲了設(shè)計的整個過程，如此就可以通過參數(shù)化技術(shù)建立出一系列而非單一的在功能以及形狀上具有相似性的產(chǎn)品模型。利用參數(shù)化對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計的最大優(yōu)勢在于賦予了產(chǎn)品模型可變性與高重用性，使得用戶在產(chǎn)品設(shè)計的過程中可以方便地更改產(chǎn)品模型，極大地提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率，并且為設(shè)計產(chǎn)品的模塊化提供了有效的技術(shù)基礎(chǔ)。

在翼盒的設(shè)計中，模型數(shù)據(jù)數(shù)量較多，在加入了對產(chǎn)品設(shè)計過程的控制后，使得產(chǎn)品之間的關(guān)系更加復(fù)雜，所以對核心數(shù)據(jù)資源的管理便尤為重要。PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)是對復(fù)雜零件進(jìn)行設(shè)計所必須依賴的系統(tǒng)，其基本思想是利用計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將設(shè)計過程中的信息孤島集成起來，形成完整的產(chǎn)品描述數(shù)據(jù)。PDM系統(tǒng)可以有效地解決以下幾個問題：①提高信息共享程度，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時一致性；②可以形成有效的圖檔管理、清晰的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理；③提高對現(xiàn)有設(shè)計成果的再利用率，加強(qiáng)文檔資料的安全保密性。

1．2 產(chǎn)品關(guān)聯(lián)關(guān)系建立

根據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)計的原理，產(chǎn)品關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立需要經(jīng)過下述幾個步驟：

（1）骨架模型的建立。骨架模型是進(jìn)行自頂向下設(shè)計的基礎(chǔ)模型，骨架模型主要用于體現(xiàn)產(chǎn)品的外形描述、結(jié)構(gòu)布局等。在復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計中，首先需要產(chǎn)品的總體設(shè)計者布置產(chǎn)品的頂層結(jié)構(gòu)，建立起復(fù)雜產(chǎn)品的外形描述以及結(jié)構(gòu)布局、產(chǎn)品的主要參考平面、參考軸線及參考點(diǎn)。

（2）接口的建立。所謂接口即在自頂向下設(shè)計過程中，上游模型所開放的并且可以提供給下游模型，以供下游模型建立所需要的基本幾何元素（點(diǎn)、線、平面、曲線）及部分幾何、非幾何參數(shù)的接口。建立接口需要兩個步驟，首先是在上游模型中建立相應(yīng)的基本幾何元素及參數(shù)，然后是將其發(fā)布以供下游模型引用。

（3）模型建立。在進(jìn)行模型設(shè)計的過程中，引入“參數(shù)化設(shè)計”方法對產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計。在產(chǎn)品建模之前，需要將上游模型接口中所發(fā)布的幾何元素及參數(shù)引入模型中，并且依此進(jìn)行參數(shù)化建模。

（4）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的一個特點(diǎn)是產(chǎn)品層次復(fù)雜，模型數(shù)量龐大，相互之間的關(guān)系混亂，所以必須在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中進(jìn)行模型的建立，依據(jù)系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行命名及保存路徑。

2 飛機(jī)機(jī)翼翼盒的關(guān)聯(lián)設(shè)計建立

飛機(jī)機(jī)翼翼盒的設(shè)計是典型的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計。在機(jī)翼翼盒的設(shè)計中通過關(guān)聯(lián)設(shè)計建立出模型之間上下游的相互依賴關(guān)系，以便達(dá)到設(shè)計中上下游設(shè)計輸入與輸出間的相互影響、相互依賴。

翼盒骨架模型的建立需要對翼盒的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行合理的組織與劃分，分析翼盒模型的層次關(guān)系及布局結(jié)構(gòu)。通過翼盒總體設(shè)計，建立骨架模型。翼盒的骨架模型結(jié)構(gòu)主要包括蒙皮外形、梁、長桁、肋板站位面等。翼盒的骨架模型如圖1所示。

圖1 翼盒的骨架模型

在骨架模型設(shè)計完成之后，需要將相應(yīng)的蒙皮外形的接口、骨架模型接口等接口元素發(fā)布，以供下游模型使用。

以翼盒中某一翼肋為例來說明關(guān)聯(lián)設(shè)計在機(jī)翼盒段設(shè)計過程中的應(yīng)用，肋的接口設(shè)計過程如圖2所示。

圖2 肋的接口設(shè)計過程

上游模型將建立下游模型所需要的基本幾何元素分類并發(fā)布，下游模型通過帶鏈接的粘貼引入模型，并將其作為建?；鶞?zhǔn)及幾何參考以建立三維模型。圖3為用關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)所建立的一個機(jī)翼的翼肋。

在產(chǎn)品建模之前，首先在PDM系統(tǒng)內(nèi)，依據(jù)產(chǎn)品命名法則及保存路徑建立零件文檔；其次，將骨架模型所發(fā)布出的接口引入到該模型文件中；最后，通過參數(shù)化建模方式建立翼肋的三維產(chǎn)品模型。

當(dāng)上游的產(chǎn)品模型發(fā)生了更改之后，通過接口元素會將相應(yīng)的修改傳遞給下游模型，在不引起模型參數(shù)化設(shè)計原則變化的前提下，對產(chǎn)品模型的更改做出提示（產(chǎn)品模型變紅色）并且實(shí)現(xiàn)下游模型的自動更新。翼肋的自動更新提示如圖4所示。

圖3 翼盒中某一翼肋的三維模型

圖4 翼肋的自動更新提示

圖5 機(jī)翼翼盒模型

3 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)上述方法，本文以CATIA V5R18為軟件平臺，對飛機(jī)機(jī)翼翼盒進(jìn)行建模，建立的模型如圖5所示。

4 結(jié)束語

關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的產(chǎn)生來源于CAD使用者對更高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計、更高效率的管理技術(shù)的需求，也是CAD技術(shù)發(fā)展到一定階段的結(jié)果。關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，降低了設(shè)計中模型數(shù)據(jù)的冗余度，保障了模型數(shù)據(jù)的一致性，同時也大大地提高了數(shù)據(jù)的安全性。

本文通過對飛機(jī)翼盒的設(shè)計驗(yàn)證了關(guān)聯(lián)設(shè)計的可行性，建立了相應(yīng)的產(chǎn)品模型，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)翼盒這一復(fù)雜產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計，極大地提高了CAD設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量與管理效率。

［1］ 唐敦兵，徐榮華，唐吉成，等．基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的工程變更影響分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（1）：154－161．

［2］ 劉俊堂，劉看旺．關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用［J］．航空制造技術(shù)，2008（14）：45－47．

［3］ 孟祥旭，徐延寧．參數(shù)化設(shè)計研究［J］．計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2002，14（11）：1086－1090．