基于全三維設計的航空緊固件信息表達

郭建燁，辛宇娟，屈力剛，楊野光

（沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室， 沈陽 110136）

計算機技術的發(fā)展，使得三維模型更具表現(xiàn)力。20世紀80年代，三維技術已應用于發(fā)達國家的產品設計和生產中。21世紀初，電子樣機技術的規(guī)模化應用取得了顯著效益?；贑AD的虛擬樣機技術，提高了設計協(xié)調性，設計意圖通過三維模型進行協(xié)調和匹配性檢查、運動機構仿真、分析仿真，實現(xiàn)了所見即所得，降低勞動強度、提高設計質量、減少設計返工，實現(xiàn)100%的三維建模和100%的數(shù)字化虛擬裝配。但是，以三維為手段的飛機產品研制模式，并沒因其諸多優(yōu)勢很快替代傳統(tǒng)的以二維圖紙為手段的研制模式[1]。因為大多數(shù)企業(yè)或者公司對MBD技術的理解，只是說把二維紙質上的產品各方面信息，照模照樣搬到數(shù)字化的三維模型中，不能達到使其設計信息數(shù)字化程度變高[2]。因為沒有對零散的產品相關信息進行歸納和整理，就會出現(xiàn)數(shù)據冗余，實用性不強，這樣就使得后面對產品制造和加工的工人很難讀取必要的信息，造成產品周期加長，降低生產效率[3-6]。

基于MBD的全三維設計，MBD模型包括飛機功能/性能模型、空間幾何模型、制造工藝模型、支持維護模型[7]。MBD涵蓋了產品設計、制造、維護整個生命周期，其中面向設計和制造的空間模型是MBD的基礎[8]。因此，通常意義上的全三維設計通常是面向制造的三維模型的建立和應用。占飛機整體零件數(shù)量半數(shù)以上的緊固件，其生產制造已自成規(guī)模。設計人員主要考慮的問題不是緊固件生產制造問題，而是緊固件快速選型以及裝配問題[9]。設計人員綜合考慮零部件位置、載荷要求、變形程度等因素，在遵循各類緊固件選用規(guī)則的要求下，手工查閱三四百頁的緊固件手冊，確定緊固件規(guī)格型號；在對應的飛機零部件模型中，采用“點線” 表達緊固件，使緊固件與飛機零部件形成統(tǒng)一整體。匯總緊固件規(guī)格、數(shù)量，輸出采購清單，交付采購部門。最終，裝配人員根據其設計意愿完成緊固件裝配工作。

1 航空緊固件的3D點線表達

緊固件尺寸小，數(shù)量龐大，采用傳統(tǒng)的基于MBD的三維模型來表達緊固件，對電腦硬件有很高要求，費時費力；并且各個航空企業(yè)針對自身研發(fā)的機型，都有自成系統(tǒng)的一套緊固件手冊，緊固件數(shù)據不一致導致模型通用性較差、建模成本高[10]；其次，相對于飛機零部件而言，緊固件尺寸過小，緊固件三維模型的建立并不會使其對于裝配人員更直觀、準確。緊固件種類多樣、數(shù)據繁瑣，設計人員手工查閱方式效率低且準確率難以保證；設計人員主要確定緊固件幾何信息，非幾何信息的表達（如裝配技術要求、開口銷類型、潤滑、熱處理、表面處理等）對裝配過程也有重要影響。針對航空緊固件設計、裝配存在的問題，決定規(guī)范化緊固件信息表達。

基于MBD的三維模型信息分為：幾何信息、非幾何信息。在遵循MBD信息集成化的原則下，采用“3D點線”方式表示航空緊固件。其中，點的物理屬性代表緊固件的安裝位置；直線的物理屬性包括長度，代表緊固安裝前/安裝后的軸向尺寸；方向代表緊固件的安裝方向。圖1表示基于MBD的緊固件信息分類。圖2為緊固件3D點線表達示意圖。Catia軟件環(huán)境下緊固件3D點線表達如圖3所示。

2 基于“夾持組”的緊固件信息管理

“點線”方式是針對單個緊固件的信息表達方式。面對同一機型研制過程中數(shù)以萬計的緊固件，需建立一種宏觀角度上更為合理的緊固件管理方式。利用Catia的.CATPart文件實現(xiàn)緊固件相關信息的存儲；根據Catia特征樹的理念，確定以“夾持組”為基礎進行緊固件信息的分類管理。 CATPart文件特征樹邏輯結構如圖4所示。其中，重要節(jié)點介紹如下：

圖1 緊固件信息分類Fig.1 Classification of fasteners information

圖2 緊固件3D點線表達示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D point-line expression for fastener

圖3 Catia軟件環(huán)境下緊固件的3D點線表達Fig.3 3D point-line expression for fastener under Catia

（1）建模過程：存儲緊固件選用過程中產生的一些中間結果，例如最后夾持面、對稱面等；

圖4 緊固件.CATPart文件特征樹邏輯結構Fig.4 Logical structure of characteristic tree

（2）標準件及釘孔點：.CATPart文件的固有節(jié)點，該節(jié)點為存儲緊固件信息的根節(jié)點；可擴展出多個夾持組子節(jié)點。

（3）夾持組：緊固件作為夾持件，明確表達其裝配特征需定義被夾持件信息，因此將用戶選用的兩個或者兩個以上的被夾持件定義為夾持組。夾持組的主要節(jié)點為點線集；同一夾持組內可擴展多個點線集子節(jié)點。

（4）點線集：點線集是存儲緊固件幾何信息、管理信息的最小單元。緊固件存在主輔對應關系，以螺栓為例，螺栓與螺母、墊圈配套使用，只有當主輔緊固件規(guī)格型號完全確定，整個選用過程才算結束。主輔緊固件形成的集合代表該安裝點所對應的一套緊固件信息；同一夾持組內，只有主輔緊固件信息完全相同的安裝點，才會被放在同一點線集內。點線集的子節(jié)點包括：安裝點，屬性為幾何圖形集，可擴展多個“點X”子節(jié)點；矢量線，屬性為幾何圖形集，可擴展多個“直線X”子節(jié)點；標準件：屬性為參數(shù)集，包含一套緊固件信息。同一點線集下的安裝點、矢量線、緊固件數(shù)量保持一致性。

3 開發(fā)工具及相應功能點

緊固件信息表達涉及了“PartDesign”、“Assembly”、“Knowledge”等模塊，各模塊之間相互關聯(lián)、相互滲透，應用Catia自身CAA函數(shù)和API函數(shù)接口，完成緊固件信息的完整表達[11]。

特征樹結構清晰、邏輯分明，通過函數(shù)SetSpecAttr可將緊固件的名稱、標記示例、部分參數(shù)設置為特征樹相應節(jié)點的隱藏屬性。

4 實例驗證與結論

Catia環(huán)境下二次開發(fā)菜單如圖5所示。圖6、圖7分別為夾持組創(chuàng)建窗體、緊固件創(chuàng)建窗體。緊固件選擇如圖8所示。圖9為緊固件信息管理界面?；贛BD的航空緊固件3D點線表達方式簡練清晰；基于“夾持組”為基礎的特征樹結構邏輯分明，信息表達較為全面，推進了航空領域全三維設計進程。

圖5 Catia環(huán)境二次開發(fā)菜單Fig.5 Secondary development menu based on Catia

圖6 創(chuàng)建夾持組窗體Fig.6 Form for creating clip group

圖7 創(chuàng)建緊固件窗體Fig.7 Form for creating fasteners

圖8 緊固件選擇窗體Fig.8 Form for fastener selection

圖9 緊固件信息管理Fig.9 Fastener information management

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