基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用分析

摘 要：目前國(guó)外數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用又有了新的發(fā)展，以波音公司B787飛機(jī)的研制為代表，已經(jīng)全面采用了基于數(shù)字模型定義（Model-Based Definition，簡(jiǎn)稱MBD），并取得了成功。我國(guó)的航空工業(yè)在新一代飛機(jī)研制中也開(kāi)始應(yīng)用MBD技術(shù)，并取得了突破性進(jìn)展。為了使得各個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)充分利用已有的MBD單一數(shù)據(jù)開(kāi)展工作，文章針對(duì)如何將MBD技術(shù)深入地應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從多方面進(jìn)行分析闡述。

關(guān)鍵詞：MBD技術(shù)；設(shè)計(jì)面向制造；數(shù)字化樣機(jī)

引言

所謂的基于模型定義（MBD）全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品的三維模型中的先進(jìn)的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。同時(shí)不能簡(jiǎn)單的理解為尺寸和公差、制造信息的三維定義，實(shí)際上MBD是一套研發(fā)體系和標(biāo)準(zhǔn)，它涵蓋了精益思想、并行工程、設(shè)計(jì)面向制造、知識(shí)工程等研發(fā)思想，其目的是產(chǎn)品數(shù)字化研制的價(jià)值最大化。

1 設(shè)計(jì)環(huán)境

如何搭建基于模型的企業(yè)總體架構(gòu)是數(shù)字化企業(yè)的發(fā)展前提。飛機(jī)設(shè)計(jì)中通常選擇ENOVIA LCA/VPM Navigate作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理支持環(huán)境，并與CATIA（達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件）構(gòu)建了產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)環(huán)境，進(jìn)行數(shù)據(jù)創(chuàng)建、存儲(chǔ)、查詢數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（如空間位置關(guān)系、從屬關(guān)系等）以及數(shù)據(jù)的導(dǎo)入/導(dǎo)出，記錄控制產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的工程數(shù)據(jù)集信息，并實(shí)現(xiàn)MBD數(shù)字化定義產(chǎn)品數(shù)據(jù)的共享控制。同時(shí)MBD技術(shù)應(yīng)用需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將企業(yè)的設(shè)計(jì)理念、管理理念貫徹到實(shí)際的數(shù)據(jù)創(chuàng)建/管理過(guò)程中，搭建一個(gè)科學(xué)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)管理環(huán)境平臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)面向制造

MBD數(shù)據(jù)一次創(chuàng)建多次使用，且模型是設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的唯一權(quán)威數(shù)據(jù)，必須保證模型數(shù)據(jù)的正確性，即滿足客戶需求且可制造。其中可制造即創(chuàng)建的MBD模型能夠滿足制造應(yīng)用的需求，該MBD模型在后續(xù)的生產(chǎn)中可以直接應(yīng)用（如自動(dòng)編程）。因此，在飛機(jī)設(shè)計(jì)的早期活動(dòng)中，制造部門(mén)工與設(shè)計(jì)部門(mén)協(xié)調(diào)溝通，并將制造需求轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)要求寫(xiě)入設(shè)計(jì)規(guī)范手冊(cè)。

零件的幾何模型創(chuàng)建過(guò)程模擬實(shí)際加工過(guò)程。對(duì)于一個(gè)機(jī)加件，從生成簡(jiǎn)單一個(gè)毛坯（PAD）開(kāi)始，以“去除材料”的建模理念，通過(guò)凹槽、特征修飾或曲面分割逐步完成產(chǎn)品模型，為了提高模型的可編輯性，設(shè)計(jì)過(guò)程盡量遵循并行設(shè)計(jì)原則，如所有的凹槽特征形成單獨(dú)幾何體并裝配到零件幾何體中，加工刀具半徑、以及走到軌跡等限制元素須在凹槽結(jié)合體內(nèi)部完成。參見(jiàn)圖1典型框肋零件的模型設(shè)計(jì)過(guò)程。

3 數(shù)字化樣機(jī)

3.1 數(shù)字化樣機(jī)的建立

基于MBD技術(shù)的數(shù)字化樣機(jī)（DMU）是采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，逐步完善的三維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。完整的數(shù)字樣機(jī)包含產(chǎn)品部件/全機(jī)零部件及其設(shè)備的完整數(shù)字信息模型（含屬性），包括結(jié)構(gòu)件、機(jī)構(gòu)件、系統(tǒng)件（含管路、電子部件等）、標(biāo)準(zhǔn)組件、成品件等，滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能要求，可進(jìn)行工程分析、優(yōu)化以及數(shù)據(jù)管理。數(shù)字樣機(jī)演變貫穿飛機(jī)整個(gè)生命周期，其設(shè)計(jì)進(jìn)展情況按項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段計(jì)劃要求進(jìn)行。

概念設(shè)計(jì)階段完成空間模型分配，建立初始幾何參考和理論線/面，工作包的界面控制數(shù)據(jù)，通過(guò)三維模型方案對(duì)比最終確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；初步設(shè)計(jì)階段主要是對(duì)設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集和理論模線數(shù)據(jù)進(jìn)一步演變并在該階段出口階段完成凍結(jié)空間配置模型進(jìn)一步細(xì)化，發(fā)展成更加具體、詳細(xì)的部件；詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要完成零件/裝配件全三維設(shè)計(jì)，形成最終直到生產(chǎn)的MBD數(shù)據(jù)集。零件模型中使用點(diǎn)/線給出緊固件位置信息，對(duì)應(yīng)裝配節(jié)點(diǎn)下安裝緊固件/標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體。

3.2 數(shù)字化樣機(jī)的管理

DMU建立過(guò)程在整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)和零件建立原則中扮演重要角色。DMU建立過(guò)程的管理包括以下幾項(xiàng)任務(wù)：（1）成立技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，輔助工程部門(mén)解決DMU研發(fā)和管理過(guò)程中的問(wèn)題。（2）不斷完善DMU過(guò)程，將新技術(shù)貫徹到模型創(chuàng)建過(guò)程中。新飛機(jī)項(xiàng)目應(yīng)從先前的項(xiàng)目吸取經(jīng)驗(yàn)，更新并提高DMU建立過(guò)程。（3）所有的設(shè)計(jì)員和相關(guān)部門(mén)使用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)手冊(cè)和技術(shù)文件，以提高DMU質(zhì)量。（4）根據(jù)飛機(jī)項(xiàng)目指定的零件編號(hào)系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行命名管理。（5）工程項(xiàng)目里程碑節(jié)點(diǎn)，對(duì)相關(guān)的DMU信息進(jìn)行存檔，確保信息可追溯。（6）按要求進(jìn)行三維模型和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題直接反饋設(shè)計(jì)員進(jìn)行更改。（7）DMU數(shù)據(jù)的管理應(yīng)嚴(yán)格符合研發(fā)部門(mén)的信息數(shù)據(jù)管理規(guī)則。這些任務(wù)從概念定義階段發(fā)起，并貫穿所有的設(shè)計(jì)階段。為了最大的優(yōu)化DMU建立過(guò)程，需要?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，以顯示主要組件、構(gòu)型項(xiàng)、裝配或工作包的高階層的分解。

4 MBD模型定義

MBD模型數(shù)據(jù)包括完整的模型定義信息、屬性定義信息、尺寸公差標(biāo)注以及工藝技術(shù)要求注釋信息等。為了便于設(shè)計(jì)管理過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，使用統(tǒng)一的模板進(jìn)行創(chuàng)建零件模型進(jìn)行定義。模型定義即幾何模型定義，其創(chuàng)建過(guò)程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，零件結(jié)構(gòu)樹(shù)管理清晰有序。模型可以輕松的通過(guò)知識(shí)工程多次重復(fù)使用。屬性定義涵蓋了產(chǎn)品名稱、分類等級(jí)、材料、毛料尺寸、制造工藝、通用公差等，為了準(zhǔn)確傳達(dá)更改信息為保證屬性信息在數(shù)據(jù)傳遞中的準(zhǔn)確性，大部分屬性可以通過(guò)提供選項(xiàng)的形式，直接從填寫(xiě)處的定制的下拉菜單中選取，并通過(guò)定制的屬性檢查工具確保信息填寫(xiě)完整性和一致性。三維尺寸標(biāo)注主要包括零件信息、附注、實(shí)體關(guān)聯(lián)相關(guān)標(biāo)注三部分內(nèi)容。其中零件信息直接與零件屬性關(guān)聯(lián)自動(dòng)生成，涵蓋了制造工藝、材料、工藝狀態(tài)、表面處理、基本毛料尺寸、通用公差等信息，如果屬性更改，這部分信息自動(dòng)更新；附注信息是根據(jù)零件實(shí)際情況從標(biāo)準(zhǔn)的附注文件中選??；實(shí)體關(guān)聯(lián)相關(guān)標(biāo)注主要是在實(shí)體上標(biāo)出的指定的形位公差、基準(zhǔn)、定位孔尺寸等。同時(shí)要求所有信息通過(guò)多個(gè)規(guī)定的捕獲視圖直觀的呈現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)在激活捕獲視圖時(shí)，不需要做任何操作就能清楚的讀取設(shè)計(jì)信息。零件的升版、換號(hào)時(shí)，通過(guò)按規(guī)定給出更改視圖、制定的顏色標(biāo)識(shí)傳達(dá)信息。

（1）快速設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)復(fù)雜產(chǎn)品快速、高效地研制需求，定義不同類型CAD數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)模板，編制相關(guān)建模規(guī)范、建立標(biāo)準(zhǔn)件/成品件實(shí)體模型資源庫(kù)、典型特征庫(kù)、材料庫(kù)、技術(shù)附注數(shù)據(jù)庫(kù)等，并創(chuàng)建基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范以及知識(shí)庫(kù)。（2）關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。數(shù)字化樣機(jī)創(chuàng)建過(guò)程中，理論模線/面和其他外部參考元素對(duì)應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)統(tǒng)一做成骨架結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行管理，嚴(yán)格制定了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)規(guī)范、界面共用元素創(chuàng)建規(guī)范以及對(duì)應(yīng)管理規(guī)范和權(quán)限設(shè)置。

5 MBD標(biāo)準(zhǔn)檢查系統(tǒng)

Enovia CATIA/VPM設(shè)計(jì)環(huán)境中嵌入模型設(shè)計(jì)規(guī)范性檢查工具Q-checker，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的硬性的建模規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定成檢查文件清單對(duì)Q-check進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢查設(shè)置。一方面在CATIA設(shè)計(jì)環(huán)境中可以通過(guò)手動(dòng)激活程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化檢查，同時(shí)在Enovia LCA環(huán)境中進(jìn)行后臺(tái)批處理標(biāo)準(zhǔn)化檢查。

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化制造企業(yè)協(xié)同制造技術(shù)時(shí)代，要求在正確的時(shí)間傳遞正確的數(shù)據(jù)給正確的人，從以往的線性生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿猩a(chǎn)制造?；贛BD的飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，正是將為了MBD成為唯一的數(shù)據(jù)源，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到服務(wù)，形成數(shù)據(jù)的反復(fù)迭代，因此，針對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程必須科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)化，為了下游制造及時(shí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。

作者簡(jiǎn)介：段玲利（1982-），女，河南，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，研究方向：民機(jī)工程產(chǎn)品研發(fā)。