MBD技術(shù)在加固計(jì)算機(jī)研發(fā)中的應(yīng)用

焦超鋒， 田灃， 姜紅明， 孫軼， 焦曉艷

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

0 引言

航空工業(yè)是高端制造業(yè)的代表，西方國家為避免高端制造業(yè)技術(shù)旁落，降低金融危機(jī)的的風(fēng)險(xiǎn)，力保高端制造業(yè)的領(lǐng)先地位，不斷在技術(shù)能力建設(shè)方面加大投資力度，推出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略。通過新技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃，創(chuàng)立和普及新型的設(shè)計(jì)方法，共享制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，支持高端制造業(yè)的創(chuàng)新，促進(jìn)生產(chǎn)方式的變革。在國內(nèi)，十五屆五中全會(huì)明確提出“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展”。各航空企業(yè)紛紛開展信息化建設(shè)，全數(shù)字化企業(yè)，全數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等等，信息化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展已成為未來航空設(shè)計(jì)及制造業(yè)發(fā)展的必由之路。

1 MBD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

MBD（Model Based Definition）技術(shù)，即基于模型的定義，是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義的方法。它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。確立三維實(shí)體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，取消了二維圖紙，改變了傳統(tǒng)以二維圖紙為主，以三維實(shí)體模型為輔的制造方法。

在國外，基于MBD技術(shù)的100%整機(jī)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)已成功在波音777等飛機(jī)上得到應(yīng)用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用該技術(shù)后，整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)間減少50%以上，開發(fā)周期由9年縮減為4.5年，制造裝配時(shí)間減少40%以上，成本降低25%，設(shè)計(jì)人員在制造階段發(fā)出更改單數(shù)量大幅下降，極大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，確立了其航空工業(yè)壟斷和霸主的地位。在國內(nèi)，經(jīng)過數(shù)年探索和發(fā)展，MBD技術(shù)也開始在航空產(chǎn)品研制中推廣應(yīng)用，C919大型客機(jī)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝及加工協(xié)同技術(shù)，整機(jī)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，研制周期明顯縮短，研發(fā)費(fèi)用不斷降低，設(shè)計(jì)質(zhì)量有了大幅度提高。

2 機(jī)載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同階段

普通的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程是串聯(lián)流程，存在研發(fā)周期長、出錯(cuò)幾率高的缺點(diǎn)?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程采用信息化手段，由軟件實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)的理念，從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段開始，工藝人員即可介入設(shè)計(jì)流程，考慮加工工藝的實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)問題，通過協(xié)調(diào)，即可解決大量的設(shè)計(jì)問題、工藝問題等，大大縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)費(fèi)用。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

機(jī)載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段經(jīng)過了四個(gè)發(fā)展階段。

第一個(gè)階段：采用2D圖紙方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。在這個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員需要將腦海中構(gòu)思的3D模型，通過投影視圖的方式，用二維圖紙表達(dá)出來，并對每一個(gè)體征標(biāo)注具體尺寸、公差、形狀位置度等要求。還要明確加工所需材料、零件表面處理方式及裝配等技術(shù)要求，要求所有特征不漏標(biāo)、錯(cuò)標(biāo)尺寸，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，將來裝配不能干涉等，設(shè)計(jì)難度很大，出錯(cuò)概率可想而知。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用此方法進(jìn)行的設(shè)計(jì)中，有80%的設(shè)計(jì)更改單與尺寸標(biāo)注相關(guān)。鑒于此，此設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在航空制造業(yè)中逐漸被淘汰。

第二個(gè)階段：采用以2D圖紙為主，以3D模型為輔的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。在這個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員通過3D模型檢查設(shè)計(jì)意圖，通過零件組裝以檢查設(shè)計(jì)合理性，避免將來的裝配干涉，但還是以出2D圖紙的方式進(jìn)行后續(xù)的加工和檢驗(yàn)。繁瑣的尺寸標(biāo)注流程仍未避免，僅比第一個(gè)階段略有改善。

第三個(gè)階段：采用以3D模型為主，以2D文件為輔的方式。在沒有推廣MBD技術(shù)之前，國內(nèi)一些企業(yè)創(chuàng)造性的采用此方法實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)、三維加工。優(yōu)點(diǎn)可想而知，但因?yàn)榧庸の募晃ㄒ?，存在加工?shù)據(jù)不統(tǒng)一的風(fēng)險(xiǎn)，仍然造成一定的設(shè)計(jì)反復(fù)和更改。

第四個(gè)階段：采用MBD技術(shù)的全三維并向設(shè)計(jì)技術(shù)。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前最先進(jìn)的技術(shù)，采用該技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，解放設(shè)計(jì)生產(chǎn)力，為企業(yè)節(jié)約人力成本，為提高經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮最大效能。

3 MBD技術(shù)在機(jī)載計(jì)算機(jī)研發(fā)中的解決方案

3.1 基于MBD技術(shù)建模

在建模之前，首先需要起草并定義相關(guān)建模標(biāo)準(zhǔn)，確定設(shè)計(jì)規(guī)范，然后利用三維設(shè)計(jì)軟件建立結(jié)構(gòu)件的三維模型。通過基于模型的定義軟件，利用MBD技術(shù)在三維模型上定義不同的標(biāo)注截面，標(biāo)注需要的加工信息。對于一般公差可以滿足設(shè)計(jì)需求的特征，不標(biāo)注尺寸，所有模型均按照1∶1建立，按照規(guī)范實(shí)施，如圖2。

圖2 基于MBD技術(shù)的設(shè)計(jì)模型

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，可以利用VPM軟件，實(shí)現(xiàn)與工藝人員的協(xié)同設(shè)計(jì)，使工藝人員盡早介入設(shè)計(jì)流程，大大縮短了設(shè)計(jì)和會(huì)簽周期；還可通過VERCARD等軟件，實(shí)現(xiàn)工藝模型和設(shè)計(jì)模型的比對與仿真加工，滿足了加工仿真的需要，降低了因種種原因造成的報(bào)廢，降低了加工成本。基于MBD技術(shù)的結(jié)構(gòu)研發(fā)流程如圖3所示。

圖3 基于MBD技術(shù)的結(jié)構(gòu)研發(fā)流程

3.2 MBD技術(shù)特點(diǎn)

MBD技術(shù)是基于全三維設(shè)計(jì)的技術(shù)，這種全三維的基于特征的表達(dá)方法，避免了不同人員在解讀模型時(shí)需要對模型進(jìn)行二維、三維投影關(guān)系轉(zhuǎn)換，避免出現(xiàn)表達(dá)不清或存在歧義情況。另外，采用MBD技術(shù)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)文件，其信息是完整集成的，保證了設(shè)計(jì)制造的數(shù)據(jù)唯一性，便于產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的管理；MBD模型的建立，不僅僅是設(shè)計(jì)部門的任務(wù)，工藝部門、檢驗(yàn)部門都將參與到設(shè)計(jì)過程中來，將是一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)、盡早開始各自任務(wù)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和盡早無誤完工的過程；另外，在三維模型設(shè)計(jì)過程中，可融入知識(shí)工程、過程模擬、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，將抽象、分散的知識(shí)更加形象和集中，使得設(shè)計(jì)、制造的過程演變?yōu)榉e累和創(chuàng)新的過程。

4 結(jié)語

數(shù)字化設(shè)計(jì)是機(jī)載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。基于模型定義（MBD）的設(shè)計(jì)數(shù)字化就是通過實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段與設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化和智能化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，促進(jìn)產(chǎn)品的數(shù)字化，提高企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力的方法，是提高設(shè)計(jì)效率、降低圖紙差錯(cuò)率、解放生產(chǎn)力、提高企業(yè)效益的制勝法寶。

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