基于MBD的數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)資源庫應(yīng)用探索

田憲偉

（中航通飛研究院有限公司，珠海 519040）

MBD技術(shù)是波音公司在研制新一代波音737NX飛機(jī)時提出的，項目實施過程中建立和實施了飛機(jī)構(gòu)型定義與控制/制造資源管理系統(tǒng)（DCAC/MRM），該系統(tǒng)結(jié)合MBD技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量數(shù)字化工具的開發(fā)與數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)資源庫建設(shè)，使數(shù)字化設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)達(dá)到了一個新的高度?？v觀全球飛機(jī)研制，數(shù)字化技術(shù)已成為各大飛機(jī)公司提升企業(yè)研發(fā)效能，優(yōu)化企業(yè)研制流程，提高企業(yè)創(chuàng)新能力的有效工具[1]。

我國航空業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速，MBD技術(shù)的引入和工程實踐也已開展多年，MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中已得到了初步的應(yīng)用，但基于MBD的數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成應(yīng)用體系尚未完全形成，模型的幾何信息及非幾何信息的定義主要依賴設(shè)計人員手動進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等雖然建立了基本的數(shù)字化使用與管理系統(tǒng)，但各系統(tǒng)架構(gòu)不一，不利于設(shè)計與管理效能的提升，各種信息的建立、更改、統(tǒng)計及管理不能滿足型號整個產(chǎn)品生命周期構(gòu)型管理的要求[2-6]。全三維數(shù)字化設(shè)計時代的到來使如何建立標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋的唯一數(shù)據(jù)源，讓設(shè)計員能充分借鑒以往型號經(jīng)驗，快速獲得相關(guān)信息，根據(jù)模板建立MBD模型，提高建模規(guī)范性、一致性、準(zhǔn)確性，利用信息技術(shù)開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，提升工程化應(yīng)用水平，提高標(biāo)準(zhǔn)化綜合效益，已成為航空業(yè)深入實施MBD技術(shù)不斷研究的課題。本文將從模板工具、材料庫、技術(shù)注釋庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫的頂層管理架構(gòu)及CATIA/VPM應(yīng)用端使用兩個方面進(jìn)行探討。

基礎(chǔ)資源庫系統(tǒng)架構(gòu)

全數(shù)字化時代，數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)資源庫作為飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)應(yīng)用資源，已經(jīng)成為航空各主機(jī)廠所保證數(shù)據(jù)源唯一性、正確性，實現(xiàn)快速設(shè)計的關(guān)鍵因素。企業(yè)基礎(chǔ)資源庫應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)管理平臺、數(shù)字化設(shè)計軟件及未來的數(shù)字化方向，統(tǒng)籌考慮，避免重復(fù)建設(shè)，利用標(biāo)準(zhǔn)化方法與技術(shù)，深入分析和挖掘各種數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用需求，構(gòu)建統(tǒng)一的資源庫管理系統(tǒng)?；A(chǔ)資源庫系統(tǒng)架構(gòu)功能模型如圖1所示。該資源庫主要包括MBD模板庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫、材料庫、技術(shù)注釋庫等，可隨數(shù)字化設(shè)計的需要不斷擴(kuò)展。MBD模板是三維建模的基礎(chǔ)，設(shè)計員在模板基礎(chǔ)上建模不但提高建模的效率與規(guī)范性，而且便于標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等數(shù)據(jù)信息無縫集成到MBD模型結(jié)構(gòu)樹下，建立真正意義上的數(shù)字化模型。數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)資源庫系統(tǒng)包括兩個子系統(tǒng)，CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)和基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)，CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)與基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)之間采用Web Service組件技術(shù)，實現(xiàn)C/S架構(gòu)之間的信息通信功能。數(shù)據(jù)層是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立的基于數(shù)據(jù)庫格式的規(guī)范化的數(shù)據(jù)，管理人員在Web環(huán)境下對標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽與規(guī)范、統(tǒng)一、高效的管理。設(shè)計員通過CATIA/VPM與數(shù)據(jù)庫接口完成對規(guī)范的數(shù)據(jù)快速調(diào)用，并將數(shù)據(jù)信息加載到MBD模型。

1 CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)

CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)基于CATIA CAA二次開發(fā)技術(shù)在CATIA V5/VPM上開發(fā)專用工具并與CATIA V5/VPM平臺集成在一起，設(shè)計員在三維設(shè)計環(huán)境能夠及時查詢所需要的標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等信息，并根據(jù)需要自動加載到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹或模型結(jié)構(gòu)樹下?；竟δ苋缦拢?/p>

（1）數(shù)據(jù)申請功能：如果設(shè)計員所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如材料、技術(shù)注釋不在型號選用目錄范圍內(nèi)，設(shè)計員不需要進(jìn)入資源庫管理界面，直接在應(yīng)用端口進(jìn)行數(shù)據(jù)申請，經(jīng)管理人員批準(zhǔn)后即可進(jìn)入選用目錄供設(shè)計員調(diào)用，實現(xiàn)數(shù)字化在線申請、在線設(shè)計、管理平臺自動記錄，可供追溯。

（2）數(shù)據(jù)查詢功能：可根據(jù)材料類別、標(biāo)準(zhǔn)件類別、注釋類別快速查找所需的材料、標(biāo)準(zhǔn)件、技術(shù)注釋等，依據(jù)不同的信息檢索庫顯示不同的搜索條件，并提供級聯(lián)搜索和關(guān)鍵字搜索功能。

（3）數(shù)據(jù)調(diào)用功能：設(shè)計員選定所需要的材料、技術(shù)注釋、緊固件數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)自動將數(shù)據(jù)加載到MBD模型結(jié)構(gòu)樹下相應(yīng)的“材料注釋”、“零件注釋”或“緊固件”幾何圖形集下。

（4）數(shù)據(jù)檢查功能：設(shè)計過程中各種數(shù)據(jù)不斷更新，在MBD模型進(jìn)行電子審簽前，提供數(shù)據(jù)的自動檢查，保證模型中材料、標(biāo)準(zhǔn)件、技術(shù)注釋的數(shù)據(jù)是最新的、正確的，并在選用目錄范圍內(nèi)。

2 基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)

基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)基于Web JAVA語言開發(fā)，整個架構(gòu)采用模塊化設(shè)計，分為數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)審核以及系統(tǒng)權(quán)限管理等功能模塊，可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展?；A(chǔ)資源庫管理功能如下：

（1）數(shù)據(jù)管理模塊：管理人員負(fù)責(zé)對基礎(chǔ)資源庫維護(hù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，提供各種數(shù)據(jù)條目的增加、刪除、查詢、更改等功能，以及提供批量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出及統(tǒng)計等功能。

（2）數(shù)據(jù)審核模塊：提供設(shè)計、審核、標(biāo)審三級數(shù)據(jù)入庫審簽流程，標(biāo)準(zhǔn)化管理人員對設(shè)計人員提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)審、編輯、查重，保證數(shù)據(jù)源的正確性、唯一性、規(guī)范性。

（3）用戶及權(quán)限管理模塊：對用戶進(jìn)行角色管理，按角色配置使用權(quán)限，設(shè)計和管理權(quán)限分離，提供角色、權(quán)限定義，如增加用戶、刪除用戶、修改用戶密碼等功能。

（4）型號管理模塊：研制初期確定標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋選用范圍，設(shè)計人員在選用范圍內(nèi)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化管理人員可根據(jù)設(shè)計員申請增加數(shù)據(jù)，便于對標(biāo)準(zhǔn)件及材料進(jìn)行優(yōu)化及管控，提高“三化”水平。

（5）數(shù)據(jù)服務(wù)模塊：提供Web Service接口，為供應(yīng)商數(shù)字化信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢及應(yīng)用集成提供接口。

圖1 數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)資源庫功能模型Fig.1 Function model of digital design resource library

MBD模板庫的建立

采用MBD技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計過程中，各種設(shè)計信息與管理信息的規(guī)范統(tǒng)一是實現(xiàn)設(shè)計制造一體化的前提，通過規(guī)范化、格式化的數(shù)據(jù)提高對MBD模型的理解，因此編制MBD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將非幾何信息及管理信息，如材料信息、技術(shù)注釋信息及管理屬性規(guī)范化，并通過CATIA軟件提供的幾何圖形集及參數(shù)工具建立表達(dá)統(tǒng)一的MBD模型結(jié)構(gòu)樹，建立機(jī)件、鈑金件、標(biāo)準(zhǔn)件、成品、復(fù)合材料件MBD模板庫。對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件來說，梁、肋、框、長桁、接頭等典型結(jié)構(gòu)件構(gòu)成了飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)件使用頻率高，可以將典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分類，將設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)通過參數(shù)形式編入設(shè)計表中，借助CATIA二次開發(fā)功能及參數(shù)化工具建立結(jié)構(gòu)件參數(shù)模板庫（圖2），方便設(shè)計員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時按照要求調(diào)用不同的模板零件，簡化了設(shè)計過程，規(guī)范了建模操作，提高了工作效率。

企業(yè)型號研制眾多，可通過模板庫管理系統(tǒng)建立不同型號的模板庫，實現(xiàn)模板的建立、修改與管理機(jī)制，從源頭保證數(shù)據(jù)建立的完整性、統(tǒng)一性，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部設(shè)計人員對資源的有效共享及知識的不斷積累。

圖2 典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件參數(shù)化模板Fig.2 Parameter template of representative aircraft structure part

圖3 材料庫管理及應(yīng)用功能模型Fig.3 Management and using function model of material library

材料庫信息的集成應(yīng)用

在過去的三維為主二維為輔的研制模式中，材料庫的作用只是將材質(zhì)球賦予三維模型，起到計算重量的作用，作用有限，關(guān)注較少[7-10]。在MBD模式下，不但材料名稱、材料牌號、規(guī)格、材料規(guī)范等信息要與MBD模型集成，更重要的是通過材料庫的管理功能實現(xiàn)對供應(yīng)商管理、性能數(shù)據(jù)瀏覽、使用經(jīng)驗的積累，并通過型號管理功能，開展材料的優(yōu)化設(shè)計，合并材料牌號和規(guī)格，完成材料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作。材料庫功能模型如圖3所示。

在CATIA/VPM客戶工具端，設(shè)計員使用瀏覽功能，翻閱材料規(guī)范，查看材料的性能、價格及使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行零件材料的選取，確定所選材料后，在MBD零件模型根節(jié)點下自動加載材質(zhì)球，并將材料名稱、牌號、供應(yīng)商等信息自動加載到模型結(jié)構(gòu)樹的“材料注釋”幾何圖形集相應(yīng)的參數(shù)下，完成材料信息的調(diào)用。系統(tǒng)根據(jù)材質(zhì)球，自動進(jìn)行重量、中心及轉(zhuǎn)動慣量的計算，并根據(jù)材料的顏色完成零件模型顏色的設(shè)置。從而完成材料選取、調(diào)用、材料信息加載及數(shù)據(jù)計算的自動化集成應(yīng)用。

在基于Web的服務(wù)器管理系統(tǒng)上利用型號管理功能，在初步設(shè)計階段確定型號材料選用目錄，隨著設(shè)計的不斷深入，對設(shè)計員調(diào)用的材料進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用數(shù)字化手段開展材料優(yōu)化工作，減少材料的選用范圍和規(guī)格，對于不能滿足要求的材料及時從型號材料選用目錄中刪除，避免被設(shè)計員繼續(xù)選用，以達(dá)到控制材料選用的目的。材料檢查能夠?qū)崿F(xiàn)客戶工具端與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，對于管理平臺已經(jīng)更新的材料數(shù)據(jù)，及時通知設(shè)計員進(jìn)行材料的重新選取，對于已經(jīng)確定選用的材料，客戶端發(fā)送采用通知給管理系統(tǒng)，進(jìn)行材料采用統(tǒng)計分析，標(biāo)準(zhǔn)化管理人員可將型號最終采用的材料進(jìn)行統(tǒng)計輸出。對于已經(jīng)成熟應(yīng)用于某一零件或部位的材料，通過經(jīng)驗共享模塊將材料選用經(jīng)驗積累并共享，不但提高效率，而且提高了正確性。

技術(shù)注釋的數(shù)字化實現(xiàn)

在二維工程圖時代，技術(shù)注釋通常由設(shè)計人員標(biāo)注在圖紙右側(cè)。采用MBD技術(shù)后，三維數(shù)模必須能夠?qū)夹g(shù)注釋進(jìn)行合理表達(dá)，實現(xiàn)無圖設(shè)計。因此技術(shù)注釋在MBD技術(shù)應(yīng)用過程中要解決幾個核心關(guān)鍵問題：（1）技術(shù)注釋的表達(dá)方式；（2）技術(shù)注釋的分類管理；（3）技術(shù)注釋的數(shù)字化統(tǒng)一編碼；（4）技術(shù)注釋標(biāo)注的規(guī)范性及標(biāo)注的效率。

1 技術(shù)注釋的分類與規(guī)范化

由于技術(shù)注釋跟材料、工藝、加工方法直接有關(guān)，關(guān)系復(fù)雜、內(nèi)容繁雜、數(shù)據(jù)離散、表達(dá)不一，因此在技術(shù)注釋確定過程中標(biāo)準(zhǔn)化人員必須提前介入，將技術(shù)注釋內(nèi)容的表述、專業(yè)術(shù)語、用詞或用語規(guī)范化、統(tǒng)一化，避免歧義與理解錯誤。同時，為便于注釋的添加、修改管理及CATIA/VPM客戶端查詢、調(diào)用，通過對技術(shù)注釋內(nèi)容進(jìn)行分析，根據(jù)工藝、加工方法進(jìn)行分類，見表1。

表1 技術(shù)注釋類別劃分

圖4 技術(shù)注釋的表達(dá)與調(diào)用Fig.4 Expression and using method of technical note

圖5 標(biāo)準(zhǔn)件庫功能模型Fig.5 Function model of standard part library

2 技術(shù)注釋數(shù)字化編碼及調(diào)用

MBD技術(shù)要求技術(shù)注釋必須以“數(shù)字量”進(jìn)行表達(dá)，用數(shù)字化編號對技術(shù)注釋進(jìn)行身份標(biāo)識，技術(shù)注釋的數(shù)字化編碼由對象類別、注釋類別、明細(xì)類別和順序號10位字母及數(shù)字組合構(gòu)成。對象類別主要用來區(qū)分產(chǎn)品對象，如飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、機(jī)載成品，用1、2、3代表。注釋類別主要分為通用注釋、零件/裝配件注釋，分別用字G、P和M表示[7]。明細(xì)類別編號用兩位數(shù)字表達(dá)，見表1。CATIA/VPM客戶端，設(shè)計員根據(jù)產(chǎn)品的對象類別、注釋類別、明細(xì)類別在龐大技術(shù)注釋庫中進(jìn)行檢索，根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行全庫搜索，選擇相應(yīng)的技術(shù)注釋條目及模型結(jié)構(gòu)樹下的“零件注釋”幾何圖形集，一條完整的零件技術(shù)注釋的表達(dá)如圖4所示。

技術(shù)注釋內(nèi)容不可更改，如有錯誤，必須由標(biāo)準(zhǔn)化管理員在管理平臺統(tǒng)一更改，設(shè)計員根據(jù)數(shù)據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。如需新增注釋，可在客戶端提出新增注釋申請，經(jīng)過審核、標(biāo)審后才能入庫，方能調(diào)用，從數(shù)據(jù)源頭保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性、正確性、唯一性。

標(biāo)準(zhǔn)件庫的應(yīng)用擴(kuò)展

采用MBD技術(shù)后，標(biāo)準(zhǔn)件的使用方法發(fā)生了根本變化，必須根據(jù)應(yīng)用需求建立基于數(shù)據(jù)庫格式的規(guī)范數(shù)據(jù)格式。不但要根據(jù)設(shè)計需要能建立參數(shù)化實體標(biāo)準(zhǔn)件三維模型，而且要滿足緊固件快速設(shè)計與表達(dá)的需要，在裝配信息模型中進(jìn)行緊固件參數(shù)化點、線、圓簡化定義，又要有利于以XML格式對緊固件BOM輸出、統(tǒng)計，實現(xiàn)緊固件信息的集成和共享。標(biāo)準(zhǔn)件功能模型見圖5。簡化定義的標(biāo)準(zhǔn)件能夠以生成三維實體標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)信息來生成點、線、圓表達(dá)的緊固件數(shù)據(jù)，保證三維實體數(shù)模的參數(shù)和簡化表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)數(shù)據(jù)源唯一，從而實現(xiàn)MBD模式下標(biāo)準(zhǔn)件的全數(shù)字化表達(dá)。簡化表達(dá)的緊固件各種數(shù)據(jù)信息與標(biāo)準(zhǔn)件管理系統(tǒng)中的管理數(shù)據(jù)及參數(shù)化設(shè)計表中的幾何尺寸信息相互關(guān)聯(lián)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件庫中的信息，實時調(diào)用CAITA及VPM系統(tǒng)中的各種工具，生成簡化表達(dá)的緊固件格式化數(shù)據(jù)。為了便于電子樣機(jī)的干涉檢查，簡化表達(dá)的緊固件可以實時從標(biāo)準(zhǔn)件庫調(diào)用輕量化標(biāo)準(zhǔn)件實體數(shù)模進(jìn)行裝配檢查，既減少了數(shù)據(jù)量，又可實現(xiàn)模型的可視化。管理人員及設(shè)計員在Web環(huán)境下對標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽與管理，設(shè)計員通過CAD軟件與數(shù)據(jù)庫接口完成三維數(shù)據(jù)的調(diào)用。

結(jié)束語

本文在MBD初始應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)型號研制的實際需求，將型號研制過程中基礎(chǔ)的材料、標(biāo)準(zhǔn)件、技術(shù)注釋等信息標(biāo)準(zhǔn)化，并通過信息技術(shù)推進(jìn)型號研制過程中的標(biāo)準(zhǔn)化工作，探索基于PLM系統(tǒng)的MBD協(xié)同集成應(yīng)用，建立基于VPM的MBD模板庫及技術(shù)注釋庫，對標(biāo)準(zhǔn)件庫和材料庫進(jìn)行擴(kuò)展和MBD技術(shù)融合，建立起支持MBD設(shè)計的基礎(chǔ)資源庫集成應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行管理與設(shè)計效率雙重提升，通過標(biāo)準(zhǔn)的貫徹與信息化集成提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

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