關聯(lián)設計技術在機翼盒段快速建模中的應用

陳東明， 席 平， 唐家鵬

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

關聯(lián)設計技術在機翼盒段快速建模中的應用

陳東明， 席 平， 唐家鵬

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

飛機等復雜產品設計過程日趨全三維化，三維模型的準確快速創(chuàng)建和維護成為影響產品設計周期的重要因素。零件快速建模方式只能針對單個零件進行快速建模，無法實現(xiàn)相關聯(lián)零件的快速修改及自動更新。關聯(lián)設計技術的提出使得針對裝配體的快速建模和快速修改成為可能，從而進一步提高機翼設計效率。針對這種現(xiàn)象深入研究關聯(lián)設計技術及快速建模方法的結合，給出了結合關聯(lián)設計技術的機翼盒段快速建模的具體方法，并開發(fā)機翼盒段快速建模工具對裝配體快速建模的方法進行驗證。

三維模型；關聯(lián)設計；快速建模；快速修改

隨著基于模型的定義(model based definition, MBD)技術[1-2]的發(fā)展，飛機設計過程逐步趨于全三維化，三維模型逐漸代替二維圖形成為產品設計中的唯一數(shù)據源，因此，三維模型的準確快速創(chuàng)建在飛機設計過程中至關重要。飛機中部件與部件之間、零件與零件之間往往存在著大量的幾何以及非幾何的關聯(lián)關系。當一個模型發(fā)生變更時往往會引起與之相關聯(lián)的其他模型的變更，單一模型的參數(shù)化建模無法有效地解決設計變更過程中由于關聯(lián)引起的模型變更。

關聯(lián)設計是一種特殊形式的參數(shù)化設計方法，其驅動參數(shù)為上游設計的幾何特征（如點、線、面、坐標系等），其表現(xiàn)為上游設計對下游設計的影響關系[3]。關聯(lián)設計的應用使得模型在設計發(fā)生變更時能夠準確更新，大大提高了設計效率，并縮短了設計周期。波音公司將關聯(lián)設計技術融入到飛機產品設計過程中，實現(xiàn)了產品的快速設計和聯(lián)動修改，而且將其延伸到制造過程，實現(xiàn)了設計與工藝、工裝及檢驗的關聯(lián)，大大縮短了飛機產品研制的周期。國內很多高校和設計院所也在飛機結構設計中建立了關聯(lián)設計技術體系，把關聯(lián)設計技術應用于飛機的結構設計。周紅等[4]根據飛機工裝設計過程中的變更，提出了自頂向下關聯(lián)設計方法。

航空領域普遍采用 CATIA軟件進行三維模型創(chuàng)建，CATIA軟件具有一定的通用性，但是缺乏針對飛機設計的專業(yè)化設計平臺，無法滿足航空單位對飛機高質、高效設計的需求。目前，機翼三維幾何模型通常由設計人員手動創(chuàng)建，完全依賴設計人員制定建模流程，模型質量和創(chuàng)建效率受到設計人員水平制約[5]。而且，由于模型系不同設計人員獨立創(chuàng)建，建模往往忽略了模型與其之間相互影響的關聯(lián)關系。當一個模型發(fā)生變更時，只能由設計人員憑經驗判斷哪些模型需要進行相應的更新修改，修改過程繁瑣且容易造成遺漏，使修改不完全。通過模板參數(shù)化技術將機翼盒段零件進行合理的參數(shù)化，有效規(guī)范建模過程，可以實現(xiàn)機翼盒段三維模型的快速創(chuàng)建。同時，分析機翼中零件之間的相互制約關系，在建模過程中通過參數(shù)引用和幾何元素引用的方式實現(xiàn)機翼盒段零件之間的關聯(lián)，實現(xiàn)模型變更時機翼盒段三維模型準確完全地更新。

本文工作定位于飛機機翼結構詳細設計階段初期，旨在以定制模板[6]的形式結合關聯(lián)設計技術構建飛機機翼盒段三維實體模型快速建模工具，實現(xiàn)飛機機翼盒段三維實體模型快速創(chuàng)建，并且保證模型在設計變更發(fā)生時能夠根據相應變更進行準確快速修改更新。

1 機翼實體模型分析

機翼作為飛機的重要部件之一，其主要作用是為飛機提供升力并滿足飛機在各個飛行狀態(tài)下的性能要求[7]。機翼承力結構主要由沿展向布置的翼梁、墻、長桁和沿弦向布置的翼肋組成（由于墻的參數(shù)描述與翼梁相同，本文將墻做特殊的翼梁處理）。提取機翼結構元件、結構特征并確定相關參數(shù)并分析機翼模型間的制約關系，在建模過程中加以注意是實現(xiàn)三維模型快速生成和修改的關鍵。

1.1 骨架模型

骨架模型是關聯(lián)設計的基礎，是關聯(lián)關系傳播的媒介和載體[6]，因此，要實現(xiàn)關聯(lián)設計首先應該創(chuàng)建適合于機翼關聯(lián)設計的骨架模型[8]。機翼盒段骨架模型由機身整體外形分解得到，該骨架模型作為部段設計的基準零件掛接于部件結構樹的最頂端。骨架模型主要包括機翼蒙皮曲面和翼梁、翼肋、長桁等零件的參考信息。為方便下游模型引用參考，骨架模型應依據下游模型種類及需要對模型中的參考面、參考線等信息進行分類管理，如圖1所示為某型號飛機機翼的骨架模型，在骨架模型結構樹下增加翼肋參考、翼梁參考等幾何圖形集，用于組織待發(fā)布的幾何特征并按序發(fā)布。

圖1 機翼盒段骨架模型

骨架模型的創(chuàng)建過程及使用有4個原則：①發(fā)布幾何元素時直接從結構樹上拾取，不能直接在模型中拾取曲面、直線等元素；②當已發(fā)布的元素需要更換時應先將替換元素復制到相應的待發(fā)布元素幾何圖形集下，然后發(fā)布并確認替換；③發(fā)布窗口不具有排序功能，因此為方便設計人員查找發(fā)布元素，骨架模型設計人員在發(fā)布元素時應將不同零件的參考元素按序集中發(fā)布；④下游模型只能引用骨架模型中發(fā)布的元素。

1.2 機翼中的關聯(lián)關系分析及上游參考元素確定

關聯(lián)設計要求三維模型零件之間具有完備的關聯(lián)關系。如圖1所示完備的關聯(lián)關系能夠保證當設計變更發(fā)生時，模型通過關聯(lián)關系層層傳播自動找到與變更模型相關聯(lián)的所有模型并進行相應地更新，設計更改簡單易行，更改傳遞暢通無阻。依據關聯(lián)內容的不同關聯(lián)關系可具體分為：①基準引用；②參數(shù)關聯(lián)；③非幾何信息關聯(lián)[8]。

機翼三維設計模型更新所涉及到的關聯(lián)關系主要有基準引用和參數(shù)關聯(lián)兩種，其中基準引用以外部參考的形式實現(xiàn)，參數(shù)關聯(lián)以外部參數(shù)的形式實現(xiàn)。基準引用主要發(fā)生在機翼骨架模型與機翼零件之間，零件通過特殊粘貼中的帶鏈接粘貼將參考元素從骨架模型中復制到該零件下的外部參考幾何圖形集中。設計人員在建模過程中依據參考元素對零件進行定位創(chuàng)建等操作，此建模方式既保持了零件與骨架模型的關聯(lián)，又省去了先建模后裝配的麻煩。參數(shù)關聯(lián)主要發(fā)生在機翼零件與零件之間，機翼零件可根據需要引用機翼中其他零件發(fā)布的參數(shù)元素。

由于零件模型需要通過參考元素進行定位，因此，首先應確定機翼各零件的建模參考元素，其次是通過零件間的參數(shù)制約關系確定各個零件外部參數(shù)。

(1) 翼梁。翼梁與機翼翼面貼合，通過對其建模過程及結構特征分析確定其參考元素，如圖2所示包括機翼上翼面、機翼下翼面、翼梁起始面、翼梁終止面以及翼梁站位面。

圖2 翼梁參考元素

(2) 翼肋。機翼翼肋與機翼翼面貼合且與長桁配合，其外形受上下翼面約束且長桁缺孔特征位置與長桁位置相關聯(lián)，因此分析確定翼肋參考元素如圖3所示，包括機翼上翼面、機翼下翼面、翼肋起始面、翼肋終止面、翼肋站位面以及長桁站位面。

圖3 翼肋參考元素

(3) 長桁。長桁分為機翼上側長桁和機翼下側長桁，其外側與機翼蒙皮貼合內側與翼肋配合沿展向布置于機翼上下兩側。上側長桁參考元素如圖4所示，包括機翼上翼面、長桁起始面、長桁終止面及長桁站位面。

圖4 機翼上側長桁參考元素

機翼下側長桁參考元素如圖5所示，包括機翼下翼面、長桁起始面、長桁終止面以及長桁站位面。

圖5 機翼下側長桁參考元素

1.3 機翼主要構成元件參數(shù)化描述

零件完整的參數(shù)化描述能夠實現(xiàn)模型快速準確創(chuàng)建。分析模型結構，確定適當?shù)慕?shù)是模板形式快速建模的重點，合理的參數(shù)化能夠使得模型修改更加方便快捷。

(1) 翼梁。翼梁作為最主要的縱向構件，承受部分或全部的彎矩和剪力。翼梁與上下翼面貼合，主要有凸緣和腹板組成，翼梁主要有C字型和工字型等多種截面形式。根據翼梁結構特點及建模經驗可將翼梁參數(shù)確定為：a腹板厚度、b1上緣條寬度、b2下緣條寬度、c1上緣條厚度和c2下緣條厚度。

(2) 翼肋。飛機設計中翼肋分為普通翼肋和加強翼肋兩種。普通翼肋主要起保持蒙皮形狀以及將由蒙皮和桁條傳來的空氣動力載荷傳遞給翼梁的作用，加強翼肋承受集中載荷。翼肋同樣具有多種截面形式，根據翼肋結構特點及建模經驗翼肋的參數(shù)可確定為：a腹板厚度、b1上緣條寬度、b2下緣條寬度、c1上緣條厚度、c2下緣條厚度、長桁缺口寬度、長桁缺口深度以及下陷深度。

(3) 長桁。機翼中的長桁是起到支撐蒙皮作用的縱向元件。長桁表面與蒙皮貼合，其界面形式多種多樣。常見的長桁截面形式有C型、Z型和工字型等。依據長桁的結構特點及建模經驗確定長桁的參數(shù)為：a腹板厚度、b1上緣條寬度、b2下緣條寬度、c1上緣條厚度、c2下緣條厚度。

2 創(chuàng)建參數(shù)化建模模板

在飛機的設計建模過程中，由于設計人員水平的不同所建模型方法各異，質量參差不齊。模板建?；诜椒ㄖ赜眉夹g將模型的參數(shù)信息及高水平設計人員的建模方法、建模經驗統(tǒng)一封裝，實現(xiàn)設計人員建模經驗技術的高度集成。本文中的機翼部件參數(shù)化建模模板基于 CATIA平臺開發(fā)，通過記錄建模過程，以及對模型進行合理參數(shù)化的方式封裝了高質量機翼類零件創(chuàng)建方法及設計經驗，通過改變參數(shù)可以得到不同的幾何模型，在將設計過程標準化和參數(shù)化的同時將建模方法、經驗集成到機翼零件中。如圖6所示，機翼盒段參數(shù)化建模模板包含翼肋建模、翼梁建模和長桁建模3部分，每部分又包括零件參考元素拾取和參數(shù)設置兩項內容。

建模過程中設計人員只需依據需要從骨架模型中選取相應的參考元素并設置相應的參數(shù)即可獲得相應的零件模型。為了確保關聯(lián)關系的準確建立及修改，模板所拾取的參考元素必須為骨架模型中的已發(fā)布元素，模型參數(shù)可以直接輸入也可以依據零件間的參數(shù)關聯(lián)通過拾取其他零件中的發(fā)布參數(shù)來獲得，參數(shù)設置過程中需充分考慮模型間參數(shù)關聯(lián)關系。以翼肋參數(shù)設置為例，參數(shù)設置過程中長桁缺口參數(shù)與長桁尺寸關聯(lián)。因此，長桁缺口參數(shù)應拾取在長桁創(chuàng)建過程中發(fā)布的長桁尺寸參數(shù)。

該模板實現(xiàn)了機翼主要零部件的快速創(chuàng)建及修改。

圖6 機翼盒段參數(shù)化建模模板

3 實例驗證

為驗證機翼盒段快速建模模板的高效性，本文選取某機型機翼模型進行驗證。圖7為通過機翼部件參數(shù)化建模模板創(chuàng)建機翼模型的完整過程：①打開骨架模型。骨架模型需滿足機翼部件快速建模模板對骨架模型的要求；②選擇創(chuàng)建當下零件所需的參考元素；③選擇機翼部件截面形式，輸入或選擇相應的參數(shù)值或參數(shù)關系式；④點擊創(chuàng)建生成新的零件。最終生成的機翼三維模型如圖8所示。

圖7 機翼盒段模型創(chuàng)建過程

圖8 機翼盒段三維模型

利用模板所創(chuàng)建的模型能夠滿足模型依據設計變更而修改更新的條件。模型的修改主要包括參考元素的修改更替以及模型部分參數(shù)的調整。當模型信息發(fā)生變更時相應的模型會自動變紅提示更新，設計人員只需依據需要確認或者取消更新即可。

以骨架模型變動為例，如圖9所示當骨架模型中長桁站位面發(fā)生變動時，設計人員將新的長桁站位面發(fā)布并代替原有長桁站位面。此時，通過機翼盒段快速建模模板創(chuàng)建的機翼盒段模型會自動查詢與該長桁站位面相關聯(lián)的零件模型。受到該變更影響的模型會變?yōu)榧t色，以提示設計人員判斷是否需要依據變更對模型進行更新。設計人員只需點擊更新，模型依據新的骨架模型對三維模型進行快速修改，生成新的盒段模型。

圖9 機翼盒段模型快速修改

4 結 論

(1) 本文針對機翼設計過程中設計變更造成的三維模型大量重建的問題，給出了結合關聯(lián)設計技術的模板建模方法。

(2) 通過分析機翼模型中存在的關聯(lián)關系以及機翼各零件的設計參數(shù)，確定了機翼盒段參數(shù)化建模模板的具體內容，包括參考元素的拾取和模型參數(shù)設置兩個部分。開發(fā)了機翼部件快速建模模板。

(3) 以某機型機翼盒段的創(chuàng)建進行驗證，確定了該模板的高效性。該方法大大縮短了設計周期，避免了由于設計變更造成的模型重建的問題，該模板生成的機翼三維模型結構清晰易于設計人員維護修改。

[1] 馮國成, 梁 艷, 于 勇, 等. 基于模型定義的數(shù)據組織與系統(tǒng)實現(xiàn)[J]. 航空制造技術, 2011, (9): 62-66, 72.

[2] 張寶源, 席 平. 三維標注技術發(fā)展概況[J]. 工程圖學學報, 2011, 32(4): 74-79.

[3] 劉俊堂, 劉看旺. 關聯(lián)設計技術在飛機研制中的應用[J].航空制造技術, 2008, (14): 45-47.

[4] 周 紅, 唐敦兵, 康與云, 等. 飛機裝配工裝快速變更設計方法研究[J]. 機械設計與制造工程, 2013, 42(4): 8-13.

[5] 唐家鵬, 席 平, 張寶源. 協(xié)同工作環(huán)境下的產品關聯(lián)設計技術研究[J]. 航空制造技術, 2014, (5): 97-100.

[6] 何朝明, 陳黎麗, 王 強. 面向零件模板和骨架的快速設計[J]. 四川教育學院學報, 2010, 26(11): 112-113, 116.

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[8] 周 婷, 曹 巍, 鄭國磊, 等. 飛機裝配型架骨架的關聯(lián)設計原理及算法[J]. 航空制造技術, 2014, (8): 32-35, 41.

Application of Associated Design Technology on Wing Components Rapid Modeling

Chen Dongming, Xi Ping, Tang Jiapeng
(Mechanical Engineering and Automation Institute, Beihang University, Beijing 100191, China)

Aircraft and other complex product design process is becoming a full three-dimensional process. It is quite important to create and maintain model accurately and quickly, which significantly affect the product design cycle. Parts rapid modeling can effectively improve the efficiency of three-dimensional model creating, while it is limited to create a single part quickly. Associated design makes a rapid component modeling possible. Focused on these questions, this paper studies the combination of associated design and rapid modeling, presents a detailed method combining associated design techniques with wing components rapid modeling and verifies the effectiveness of the model through a rapid modeling tool based on such technique.

three-dimensional model; associated design; rapid modeling; rapid amending

TP 391.72

A

2095-302X(2015)05-0730-04

2015-04-09；定稿日期：2015-05-21

陳東明(1989-)，男，內蒙古赤峰人，碩士研究生。主要研究方向為產品數(shù)字化設計、智能CAD技術。E-mail：cdmstudy@163.com

席 平(1954-)，女，陜西西安人，教授，博士。主要研究方向為飛行器數(shù)字化設計、復雜曲面造型、知識工程。E-mail：xiping@buaa.edu.cn