先進(jìn)技術(shù)手段在大飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及展望

中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 王乾平

先進(jìn)設(shè)計(jì)手段是融合最新科技成果，適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)需求變化，在設(shè)計(jì)過程中所應(yīng)用的高水平的各種技術(shù)方法和手段的總和。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用、信息化與工業(yè)化的深度融合，深刻影響著設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程，同時(shí)也改變了設(shè)計(jì)環(huán)境，促進(jìn)了先進(jìn)設(shè)計(jì)手段的發(fā)展。大飛機(jī)是先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的集中體現(xiàn)，反映著時(shí)代的進(jìn)步。隨著數(shù)字化、自動(dòng)化、精確化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在大飛機(jī)中的應(yīng)用和實(shí)踐，以立足國內(nèi)、自主設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)造為宗旨的中國大飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)也在經(jīng)歷著不斷的突破和進(jìn)步。

MBD技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)二維圖紙、技術(shù)條件等技術(shù)文件,通過專業(yè)的繪圖反映產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)及制造要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的信息共享和傳遞。20世紀(jì)末，隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD已從單一的繪圖功能發(fā)展到應(yīng)用數(shù)字化手段進(jìn)行三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并且在虛擬環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字化三維設(shè)計(jì)和裝配過程仿真，對(duì)產(chǎn)品的定義進(jìn)行形象化表達(dá)，極大地提高了工作效率。

但由于設(shè)計(jì)、制造工程師缺乏對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品非形狀信息定義的統(tǒng)一形式化方法，使得傳統(tǒng)的二維圖紙仍然沒有退出歷史舞臺(tái)，即便是數(shù)控機(jī)加零件，也需要將三維數(shù)模轉(zhuǎn)化成二維圖紙，以便將僅靠形狀無法表達(dá)的非形狀信息遵循傳統(tǒng)的制圖標(biāo)準(zhǔn)在二維圖上示出。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義以二維和三維形式來共同表述，下游用戶（如應(yīng)力分析、工藝、工裝、工人、檢驗(yàn)、客服等）在工作之前要花大量的精力和時(shí)間認(rèn)真閱讀三維數(shù)模和二維圖樣。特別是對(duì)于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零組件，有時(shí)會(huì)存在二維與三維不一致的問題，甚至有時(shí)個(gè)別零組件用二維圖紙和文字都難以清楚描述，下游用戶不得不求助于設(shè)計(jì)人員去解釋。假若按照錯(cuò)誤的理解去執(zhí)行，會(huì)造成費(fèi)用和時(shí)間的巨大浪費(fèi)，不能充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)在設(shè)計(jì)制造中的優(yōu)勢。

MBD（Model Based Definition）技術(shù)的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)飛機(jī)研制模式的一次變革，美國波音公司于2004年在787飛機(jī)研制中首先使用該技術(shù)。我國在大飛機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了MBD技術(shù)，它是基于三維模型的產(chǎn)品數(shù)字化定義，也就是常說的三維標(biāo)注模型，將傳統(tǒng)二維圖紙上的信息在三維立體數(shù)模中表述，集成了三維空間尺寸、公差標(biāo)注和制造要求標(biāo)注在內(nèi)的非幾何特征信息, 把設(shè)計(jì)的所有信息以三維模型的形式定義，在沒有二維工程圖紙的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品特征的描述[1]。在大飛機(jī)研制中，跟蹤研究MBD技術(shù)及其實(shí)施方法，建立了相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，新建了技術(shù)注釋庫，改造了標(biāo)準(zhǔn)件庫、材料庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了針對(duì)各專業(yè)設(shè)計(jì)的一系列支持工具，建立了MBD模型規(guī)范化檢查手段，確定了MBD的技術(shù)方案，并在型號(hào)研制中全面應(yīng)用，建立了基于MBD的全三維數(shù)字樣機(jī)。設(shè)計(jì)工程師能夠全面、清楚地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品特征描述；制造工程師能夠在脫離了二維工程圖紙的情況下,直觀、形象、準(zhǔn)確地理解執(zhí)行設(shè)計(jì)意圖；并且所有的產(chǎn)品定義以信息量的形式傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品信息的分類管理。

大飛機(jī)確定以MBD模型作為制造的唯一依據(jù)，設(shè)計(jì)只發(fā)放三維MBD模型，不再發(fā)放二維工程圖，有關(guān)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等信息在MBD模型中表達(dá)。設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)都依據(jù)統(tǒng)一的MBD模型實(shí)現(xiàn)信息共享和傳遞，結(jié)束了多年來以二維工程圖為制造主要依據(jù)的歷史，在無紙化的情況下提高上、下游的交互式程度。制造依據(jù)的轉(zhuǎn)變對(duì)現(xiàn)有的制造技術(shù)體系帶來重大的沖擊與挑戰(zhàn)，要求工藝設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)和制造方式及技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性的改造, 促使制造技術(shù)體系發(fā)生歷史性變革，實(shí)現(xiàn)了基于MBD的設(shè)計(jì)制造一體化，標(biāo)志著中國航空制造業(yè)已開始跨入全三維設(shè)計(jì)制造新時(shí)代，具有里程碑的意義。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)過程首先由總體外形和布置專業(yè)給出外形和布置數(shù)模作為結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入，結(jié)構(gòu)專業(yè)據(jù)此開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)專業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中參照結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行管線和設(shè)備的布置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作。上游設(shè)計(jì)的更改往往會(huì)引起下游設(shè)計(jì)的更改，特別是在初步設(shè)計(jì)階段，更改迭代頻繁，且這種影響關(guān)系通常以間接方式傳遞，比如協(xié)調(diào)文件、共享數(shù)?；蚩陬^告知等，并在更改實(shí)施中通過元素替換等方式實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是多專業(yè)并行設(shè)計(jì)更改不能及時(shí)傳遞，更改操作麻煩，且易發(fā)生更改數(shù)據(jù)不一致問題。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)是解決多專業(yè)并行設(shè)計(jì)非常有效的手段，在波音787飛機(jī)研制中，被列為10大創(chuàng)新技術(shù)體系之一。它是在三維設(shè)計(jì)過程中，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)建立模型之間的相互依賴關(guān)系，通過上游設(shè)計(jì)的幾何特征（如點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等）作為驅(qū)動(dòng)參數(shù)，建立模型與模型之間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，同時(shí)配套以支持關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)上下游設(shè)計(jì)間的關(guān)聯(lián)[2]。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的核心是基于模塊劃分的理論模型（也稱骨架模型）和接口體系定義，接口就是下游設(shè)計(jì)參考上游設(shè)計(jì)的幾何元素，把決定設(shè)計(jì)對(duì)象的具有聯(lián)系的接口的集合稱為設(shè)計(jì)對(duì)象的骨架，對(duì)應(yīng)的數(shù)模稱為骨架模型。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)以骨架模型和接口描述飛機(jī)全機(jī)數(shù)字樣機(jī)的各級(jí)設(shè)計(jì)輸入，同時(shí)對(duì)接口和骨架模型的命名、接口、引用方式等進(jìn)行規(guī)范，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的劃分，形成產(chǎn)品骨架模型的合理層次關(guān)系；采用在線設(shè)計(jì)技術(shù)，在管理系統(tǒng)控制之下建立總體、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等專業(yè)設(shè)計(jì)的MBD模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成完整的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)體系。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)通過多專業(yè)模型之間幾何元素的發(fā)布和引用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)研制中上、下游專業(yè)設(shè)計(jì)輸入與設(shè)計(jì)輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)上游設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)，下游的設(shè)計(jì)可以自動(dòng)更新。

在大飛機(jī)設(shè)計(jì)中，借助數(shù)字化技術(shù)，通過骨架模型建立、控制和傳遞這種影響關(guān)系，實(shí)現(xiàn)上下游設(shè)計(jì)信息的快速傳遞與更改驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)的自動(dòng)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，保證了結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性和一致性。骨架模型的幾何元素與共享機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)共享和自頂向下的設(shè)計(jì)模式提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，也有效支持了飛機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)從總體布置到零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方式，大大提高了協(xié)同設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，見圖1 。

該技術(shù)使得上下游專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)性、一致性得到保證，關(guān)聯(lián)模型的更改信息得到自動(dòng)傳遞，并在拓?fù)潢P(guān)系不改變情況下實(shí)現(xiàn)零部件模型的自動(dòng)更改，成為驅(qū)動(dòng)多專業(yè)并行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)迭代和工程更改的重要技術(shù)手段。它的采用使工程設(shè)計(jì)過程中的協(xié)調(diào)與迭代時(shí)間大大減少，提高了協(xié)調(diào)效率，使得多專業(yè)飛機(jī)設(shè)計(jì)迭代效率提高70%以上[3]，縮短了設(shè)計(jì)周期。

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)以數(shù)字化虛擬仿真環(huán)境和數(shù)字化仿真平臺(tái)為代表，在大飛機(jī)研制中取得了重要成果和應(yīng)用。目前，航空各主機(jī)廠、所基本在虛擬仿真環(huán)境下，通過數(shù)字樣機(jī)使裝配設(shè)計(jì)人員在可視化的虛擬環(huán)境下交互協(xié)同地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行協(xié)調(diào)、檢查及維修性、保障性、安全性等分析。這樣在設(shè)計(jì)初期就可對(duì)產(chǎn)品所需功能/性能進(jìn)行可視化的仿真及演示，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題，從而及時(shí)加以改進(jìn)，使傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為基于知識(shí)和仿真的設(shè)計(jì)，替代了過去飛機(jī)研制采用的實(shí)物樣機(jī)。

圖1 多專業(yè)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)示意圖

同時(shí)，各主機(jī)院所開發(fā)和應(yīng)用了多專業(yè)相對(duì)獨(dú)立的仿真平臺(tái)，如在飛機(jī)方案階段應(yīng)用總體協(xié)同仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)專業(yè)、工具、資源庫的集成，滿足了總體方案設(shè)計(jì)探索、反復(fù)迭代、多輪逼近、綜合協(xié)調(diào)、多解尋優(yōu)和逐步深化的要求，提高了總體方案設(shè)計(jì)效率；為提高強(qiáng)度分析效率建立了飛機(jī)強(qiáng)度分析自動(dòng)化平臺(tái)，通過強(qiáng)度設(shè)計(jì)流程化、計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)度報(bào)告自動(dòng)化及其有限元模型與計(jì)算模型關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)了全機(jī)各部位強(qiáng)度計(jì)算和多輪次強(qiáng)度設(shè)計(jì)自動(dòng)優(yōu)化、迭代，同時(shí)也提高了強(qiáng)度計(jì)算精度；通過結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析流程化、規(guī)范化，并對(duì)飛機(jī)重量控制也起到了促進(jìn)作用；此外，還建立了綜合生命保障數(shù)字化仿真系統(tǒng)、飛機(jī)通用機(jī)電數(shù)字化仿真試驗(yàn)系統(tǒng)和飛機(jī)起落架數(shù)字化仿真試驗(yàn)系統(tǒng)等多種仿真環(huán)境。

隨著飛機(jī)數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，下一步的目標(biāo)是將數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真分析與知識(shí)工程有機(jī)地結(jié)合起來，建立一個(gè)可實(shí)施柔性定制飛機(jī)設(shè)計(jì)流程、集成多專業(yè)分析軟件和管理飛機(jī)全生命周期分析仿真數(shù)據(jù)的、開放的、可擴(kuò)展的飛機(jī)研制數(shù)字化仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字樣機(jī)到性能樣機(jī)的飛躍。

快速建模技術(shù)

大飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，采用了大量整體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員在有限的設(shè)計(jì)周期內(nèi)，不僅要做好零件的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作，還必須承擔(dān)繁瑣的三維建模任務(wù)。零部件的三維數(shù)模是直接體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的表征體，建模工作占用了設(shè)計(jì)周期內(nèi)的大部分時(shí)間，這勢必導(dǎo)致零件參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)間縮短，影響設(shè)計(jì)的質(zhì)量。為了解決人力資源與設(shè)計(jì)工作量及設(shè)計(jì)周期之間的矛盾，提高效率、減少反復(fù)，構(gòu)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)數(shù)模，應(yīng)用了整體構(gòu)件的快速建模技術(shù)。

以機(jī)翼的翼梁、翼肋與壁板這些主承力構(gòu)件為例，尤其是翼肋，數(shù)量眾多，設(shè)計(jì)過程繁雜。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在建立翼肋三維實(shí)體模型時(shí)，針對(duì)不同肋位，需要面臨大量的相同特征的重復(fù)性建模工作。然而，對(duì)于整體翼肋而言，其在一定范圍內(nèi)單一零件具有系列化的設(shè)計(jì)特征，一般包括上下剪切角片、上下緣條、腹板、支柱、長桁缺口等基本特征；在不同肋位處，各翼肋的基本設(shè)計(jì)特征和建模流程也大致相同。此外，在建立翼肋三維幾何模型的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)計(jì)和引用元素，這些過程和特征元素交錯(cuò)分布，為了在后期數(shù)模更改和參數(shù)調(diào)整時(shí)能夠迅速定位，找到相關(guān)的特征，需要將這些元素和特征進(jìn)行規(guī)范化命名。過去，這個(gè)過程的工作和命名均完全依賴個(gè)人操作習(xí)慣，導(dǎo)致建模過程的層次不夠清晰、命名不夠規(guī)范，為后期的參數(shù)修改和校對(duì)帶來不便，影響工作效率。

通過分析各設(shè)計(jì)特征之間的幾何與拓?fù)潢P(guān)系，固化各設(shè)計(jì)特征的建模流程，將肋的典型特征進(jìn)行分解并命名為剪切角片、緣條、腹板、支柱、支柱加強(qiáng)筋、長桁缺口等，在分析各特征的邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上，采用“由外向內(nèi)”的建模流程，進(jìn)行特征分解及生成。在此基礎(chǔ)上，對(duì)建模過程中涉及的過程和引用元素、建模操作等進(jìn)行規(guī)范化命名，并對(duì)翼肋建模過程中使用的CATIA各功能模塊和操作進(jìn)行解析，分析各類操作（如平面生成、曲面偏移、厚曲面、實(shí)體分割等）的關(guān)鍵控制參數(shù)，使用VB語言對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)各步操作的功能模塊，編程實(shí)現(xiàn)快速建模軟件工具的開發(fā)，見圖2、圖3。

它以機(jī)翼布置骨架模型為設(shè)計(jì)輸入，在CATIA環(huán)境下調(diào)用外部翼肋參數(shù)文件，快速建立翼肋的三維幾何模型，并可以根據(jù)用戶需要，協(xié)調(diào)開孔，生成補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域。

此外，通過對(duì)CATIA軟件進(jìn)行二次開發(fā)，還實(shí)現(xiàn)了壁板、梁、框等整體主承力構(gòu)件的快速化、規(guī)范化、自動(dòng)化三維建模。

通過建立結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)境，開發(fā)了快速建模軟件工具，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與幾何建?？焖俚С至私Y(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)優(yōu)化及建模，減少了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大循環(huán)周期，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期縮短40%以上。

基于CATIA的二次開發(fā)工具包

圖2 翼肋快速建模軟件操作界面

圖3 翼肋快速建模結(jié)果

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)員將大量的精力放在二維圖紙的繪制中，采用全數(shù)字化的MBD模型后，增加了非幾何信息標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品模型成為唯一數(shù)據(jù)源，可以最大限度發(fā)揮計(jì)算機(jī)智能化、數(shù)字化批處理的優(yōu)勢。為了提高工作效率，減少人工輸入產(chǎn)生的錯(cuò)誤，開發(fā)了豐富的MBD支撐工具。通過CATIA軟件的二次開發(fā)，建立各種類型的智能模版和特征庫并進(jìn)行參數(shù)化，用于輔助設(shè)計(jì)員快速完成產(chǎn)品定義，比如全三維設(shè)計(jì)模板創(chuàng)建工具，將零件分為機(jī)加、鈑金、復(fù)材、裝配等類型，根據(jù)類型特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)創(chuàng)建CATIA模型特征樹節(jié)點(diǎn)，并添加相應(yīng)通用的非幾何信息，設(shè)計(jì)師可根據(jù)具體情況增減或修訂相關(guān)內(nèi)容。另外，還開發(fā)了通用附注填寫工具、標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)計(jì)工具、三維連接定義工具、MBD模型檢查工具、屬性提取工具、EBOM自動(dòng)生成工具、查找替換工具、重量重心測量工具、全三維設(shè)計(jì)數(shù)模數(shù)字簽名工具、工程更改文件自動(dòng)生成工具等。這些工具的開發(fā)應(yīng)用，都通過MBD相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)流程、確定表達(dá)方式、給出操作方法，既規(guī)范了設(shè)計(jì)方法，又提高了工作的效率，使設(shè)計(jì)人員從繁重的勞動(dòng)中解放出來，把更多的精力放在設(shè)計(jì)中，有效提高了飛機(jī)產(chǎn)品研制的效率和質(zhì)量。

結(jié)束語

在大飛機(jī)研制中，應(yīng)用MBD技術(shù)帶來了飛機(jī)研制方法和模式的變革；基于模塊的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)提高了多專業(yè)的設(shè)計(jì)并行能力；虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)、快速建模技術(shù)和基于CATIA的二次開發(fā)工具包的應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。這些數(shù)字化技術(shù)促進(jìn)了飛機(jī)研制模式的變革和流程不斷優(yōu)化，使信息化管理水平不斷提升。展望未來，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化會(huì)進(jìn)一步影響和改變設(shè)計(jì)手段，先進(jìn)的技術(shù)手段會(huì)減少重復(fù)勞動(dòng)，提供方便。隨著設(shè)計(jì)制造一體化趨勢的發(fā)展和以增材制造技術(shù)為代表的顛覆傳統(tǒng)制造理念的技術(shù)發(fā)展，設(shè)計(jì)創(chuàng)新的空間將會(huì)被充分釋放。

[1] 王乾平.MBD技術(shù)在飛機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用研究.飛機(jī)工程，2009(4)：1-3，16.

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

[3] 王乾平，范林，吳旭輝.異地聯(lián)合研制模式下的基于全三維數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新飛機(jī)研制體系研究.上海：2014亞太航空航天學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國航空學(xué)會(huì)，2014.