液體火箭發(fā)動機(jī)三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計研究

秦紅強(qiáng)，王　猛，楊亞龍，陳彥林，劉雪利（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

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液體火箭發(fā)動機(jī)三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計研究

秦紅強(qiáng)，王猛，楊亞龍，陳彥林，劉雪利
（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

摘要：為了創(chuàng)新液體火箭發(fā)動機(jī)研制模式，提高數(shù)字化設(shè)計與制造水平，某液體火箭發(fā)動機(jī)研制采用了三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計模式。采用自頂向下設(shè)計模式和多層骨架方案，建立了發(fā)動機(jī)骨架模型，實現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)；基于模型定義技術(shù)，將設(shè)計、工藝、材料和制造等相關(guān)信息全部包含在三維模型中，用三維模型完全取代了傳統(tǒng)設(shè)計模式中的二維圖紙；通過建立IPT開展協(xié)同設(shè)計，工藝人員并行介入產(chǎn)品設(shè)計流程，提前了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、開展工裝設(shè)計和工藝模型設(shè)計。研究結(jié)果表明三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計可顯著提高發(fā)動機(jī)研制效率，縮短研制周期，并為三維數(shù)字化制造奠定了堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化協(xié)同設(shè)計；自頂向下設(shè)計模式；骨架模型；模型定義技術(shù)；IPT

0　引言

隨著信息化技術(shù)和并行設(shè)計工程理念的飛速發(fā)展，三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計已在航空、航天、航海、石油、化工和汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對傳統(tǒng)研制模式造成了很大的影響和沖擊，并已成為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)的發(fā)展趨勢。

本文結(jié)合某液體火箭發(fā)動機(jī)三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀，論述了三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的流程、特點(diǎn)以及應(yīng)用成果，全面展示了三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計相對于傳統(tǒng)研制模式的優(yōu)勢，促進(jìn)了該模式在液體火箭發(fā)動機(jī)和其他機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域的推廣。

1　國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計與制造模式已廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、石油和汽車等領(lǐng)域，并成為產(chǎn)品設(shè)計和制造行業(yè)發(fā)展的趨勢［1］。

20世紀(jì)90年代初，波音公司在研制波音777時首次采用了全三維數(shù)字化設(shè)計、并行設(shè)計等數(shù)字化技術(shù)，率先實現(xiàn)了100%的數(shù)字化產(chǎn)品定義和三維數(shù)字化預(yù)裝配，并通過實施飛機(jī)構(gòu)型定義與控制、制造資源管理等大型工程，使得波音777的研制周期比波音767幾乎縮短了50%，設(shè)計更改和返工率減少50%，裝配時出現(xiàn)的問題數(shù)量減少了50%～80%。進(jìn)入21世紀(jì)，波音公司又推出了全球協(xié)同研制環(huán)境 （GCE），實現(xiàn)了對波音787協(xié)同研制的支持，它給整個產(chǎn)品研制提供了一個嶄新的系統(tǒng)方法和解決方案，真正實現(xiàn)了產(chǎn)品研制的全壽命周期數(shù)字化協(xié)同研制過程與系統(tǒng)的全面集成［2-5］。

在國內(nèi)，航空領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用起步較早，目前已在飛豹、殲20、運(yùn)-20和ARJ21等多個飛機(jī)型號上使用。其中運(yùn)-20和ARJ21通過采用全三維數(shù)字化設(shè)計和并行工程方法實現(xiàn)了大部段對接一次成功和飛機(jī)上天一次成功。國內(nèi)航天領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用起步相對較晚，目前已在新一代運(yùn)載火箭上進(jìn)行了應(yīng)用，其中CZ-7火箭已實現(xiàn)全壽命周期數(shù)字化研制。

2　設(shè)計模式對比

2.1傳統(tǒng)設(shè)計模式

傳統(tǒng)設(shè)計模式下的液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計流程見圖1。

圖1　傳統(tǒng)設(shè)計流程Fig.1　Flow chart of traditional design

設(shè)計人員首先按照發(fā)動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計輸入完成產(chǎn)品方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后完成二維圖紙設(shè)計，再依次完成校對、審核、工藝會簽、標(biāo)審和批準(zhǔn)，最后將二維圖紙曬蘭下廠?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)設(shè)計模式未發(fā)揮三維數(shù)字化設(shè)計手段的優(yōu)勢，且整個研制過程是一個串行模式。傳統(tǒng)設(shè)計模式存在以下缺點(diǎn)：

1） 串行模式導(dǎo)致設(shè)計各階段脫節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計周期長；

2） 工藝沒有提前介入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，在工藝會簽階段容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案反復(fù)，工作量和設(shè)計成本成倍增加；

3） 二維圖紙不易理解且可視性差，不能精確定義復(fù)雜形面；

4） 工藝在開展工藝路線設(shè)計時需要重新轉(zhuǎn)換圖紙所包含信息；

5） 不同零部組件之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸協(xié)調(diào)比較困難且易出現(xiàn)誤差；

6）不能提前模擬和驗證產(chǎn)品裝配方案；

7）無法直接開展產(chǎn)品三維數(shù)字化制造。

2.2三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計模式

基于三維數(shù)字化協(xié)同模式的液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計流程見圖2。

圖2　三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程Fig.2　Flow chart of 3D digital collaborative design

與傳統(tǒng)設(shè)計模式相比，其顯著特點(diǎn)表現(xiàn)為：

1）采用全三維數(shù)字化設(shè)計手段，建立了全三維數(shù)字化模型，并用含三維標(biāo)注的模型替代了原有的二維圖紙；

2）采用IPT研制模式，將串行設(shè)計變?yōu)椴⑿性O(shè)計。

由于采用了新的設(shè)計技術(shù)和協(xié)同手段，該設(shè)計模式表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：

1）并行設(shè)計縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期；

2）工藝可以提前介入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案不易出現(xiàn)反復(fù)，研制成本降低；

3）三維模型可真實、立體反映產(chǎn)品設(shè)計意圖，易于理解；

4）工藝可直接在三維模型上開展工藝模型設(shè)計和工裝設(shè)計，減少產(chǎn)品設(shè)計信息轉(zhuǎn)換；

5）便于開展三維仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案；

6）可進(jìn)行數(shù)字化模擬裝配，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品接口不一致問題，同時驗證裝配方案；

7）為工廠開展三維數(shù)字化制造奠定了基礎(chǔ)。

3　液體火箭發(fā)動機(jī)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計

3.1協(xié)同設(shè)計平臺

為了便于開展自頂向下的骨架模型設(shè)計，某液體火箭發(fā)動機(jī)研制中選擇了PTC公司的Pro/E軟件作為三維設(shè)計軟件，并采用Intralink作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和協(xié)同共享平臺。

產(chǎn)品設(shè)計人員首先利用Pro/E軟件在工作區(qū)內(nèi)完成模型設(shè)計，然后通過檢入操作將數(shù)據(jù)上傳至Intralink服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)載入和共享。模型發(fā)生修改時，首先將其檢出到工作區(qū)，完成修改后再執(zhí)行檢入操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，具體工作流程見圖3。

圖3　工作流程Fig.3　Working process

3.2骨架模型設(shè)計

在液體火箭發(fā)動機(jī)研制中，發(fā)動機(jī)總體需根據(jù)火箭總體布局要求和總裝布局方案對組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)尺寸提出要求，完成發(fā)動機(jī)總體與組件的接口協(xié)調(diào)。在傳統(tǒng)的研制模式中，接口協(xié)調(diào)是通過二維結(jié)構(gòu)設(shè)計要求完成的。

圖4　發(fā)動機(jī)骨架模型Fig.4　Engine skeleton model

在三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計中，通過采用自頂向下模式和多層骨架方案建立了發(fā)動機(jī)骨架模型（見圖4），將組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)尺寸要求包含在組件發(fā)布骨架模型中，用骨架模型替代了傳統(tǒng)模式中的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，提高了接口協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性和實時性，實現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)。

3.3三維模型設(shè)計和管理

3.3.1三維模型設(shè)計

目前液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計一般采用“二維工程圖為主，三維模型為輔”的產(chǎn)品定義模式。在該模式下，二維曬蘭圖紙代表了產(chǎn)品的最終設(shè)計狀態(tài)，是產(chǎn)品加工的唯一依據(jù)。由于三維模型與二維圖紙是分離的，因此三維模型僅用于發(fā)動機(jī)布局方案設(shè)計和模裝分析，并沒有成為真正意義上的三維模型［6］。

基于模型定義技術(shù) （Model Based Definition，簡稱MBD）是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。該技術(shù)最初由波音公司提出，并引起了設(shè)計過程和制造模式的革命性變化，并為并行協(xié)同設(shè)計提供了技術(shù)途徑，MBD模型成為并行協(xié)同過程中信息的唯一載體［6-8］。

基于Pro/E三維設(shè)計軟件和Intralink平臺，結(jié)合相關(guān)數(shù)字化設(shè)計規(guī)范，某液體火箭發(fā)動機(jī)首次實現(xiàn)了全三維數(shù)字化設(shè)計。通過設(shè)置三維模型屬性參數(shù) （見表1）和全尺寸三維標(biāo)注，完成了完整的MBD模型設(shè)計，真正實現(xiàn)了無紙化設(shè)計［9］。

基于MBD模型，設(shè)計人員同時開展了三維仿真分析和三維模擬裝配，提高了仿真結(jié)果的正確性和合理性，并提前驗證了發(fā)動機(jī)裝配方案。

表1　三維模型屬性參數(shù)Tab.1　Property parameters of 3D model

3.3.2三維模型狀態(tài)控制

產(chǎn)品狀態(tài)控制是設(shè)計人員開展工作的首要任務(wù)。三維模型的狀態(tài)是通過模型版本號來區(qū)分的，為了保證三維模型版本的正確性和唯一性，需要對三維模型狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

目前發(fā)動機(jī)研制中采用AVIDM+Intralink共同管理模式，其中AVIDM負(fù)責(zé)管理三維模型審批表、明細(xì)表和更改單，Intralink平臺實現(xiàn)三維模型存儲和基線管理。在三維模型審批表和更改單中需具體明確最終狀態(tài)的模型版本號，確保設(shè)計狀態(tài)是最新且唯一的。

3.3.3三維模型狀態(tài)更改

產(chǎn)品設(shè)計狀態(tài)更改是發(fā)動機(jī)研制過程中不可避免的工作內(nèi)容。二維圖紙更改一般采用劃改、換頁或換版等方式，并通過下發(fā)更改單明確具體更改內(nèi)容。

三維模型的更改必須全部在三維模型上進(jìn)行，并通過更改單明確。由于三維模型采用了參數(shù)化設(shè)計，對于不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單更改，僅需對建模特征參數(shù)進(jìn)行修改后更新三維模型就可實現(xiàn)設(shè)計要求更改，操作簡單方便。對于改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜更改，則需對更改特征進(jìn)行重新建模，并同時增加相關(guān)三維標(biāo)注。在更改單中，需明確三維模型更改前后的版本、基線和具體更改內(nèi)容。

3.3.4三維模型電子分發(fā)

在傳統(tǒng)的設(shè)計模式中，設(shè)計人員完成的二維圖紙需曬蘭下廠并按工藝路線分發(fā)。工藝人員在接收到二維圖紙后便可開始工藝文件設(shè)計、工裝設(shè)計等工作。

采用三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計后，在完成AVIDM流程審批和三維模型基線受控后，檔案部門直接將三維模型基線電子分發(fā)到工廠，工藝根據(jù)模型審批表和明細(xì)表直接在Intralink中自行下載相關(guān)三維模型，然后開展相關(guān)工作。電子分發(fā)簡化了三維模型下廠流程，可保證三維模型狀態(tài)確定后能及時被廠接收，同時降低了研制成本。

3.4IPT并行設(shè)計

傳統(tǒng)的串行研制模式中產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)完全分離，導(dǎo)致產(chǎn)品研制周期長、效率低、成本高。當(dāng)年波音公司在實施波音777項目時，成立了238個集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊（Integrated Product Team，簡稱IPT），實現(xiàn)了并行設(shè)計，減少了生產(chǎn)返工和設(shè)計更改的數(shù)量，保證了產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)一次成功［10］。

某液體火箭發(fā)動機(jī)采用IPT模式進(jìn)行并行研制后，設(shè)計人員在三維模型完成初期就及時與工藝人員進(jìn)行溝通交流，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案合理性、工藝可實現(xiàn)性進(jìn)行討論，然后根據(jù)討論結(jié)果修改完善三維模型，并再次進(jìn)行溝通交流。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案和工藝方案確定后，工廠可同步啟動工裝設(shè)計、工藝模型設(shè)計、材料準(zhǔn)備和工藝準(zhǔn)備等工作。產(chǎn)品方案最終確定后，通過IPT模式完成三維標(biāo)注、校對、審核、工藝會簽和標(biāo)審，批準(zhǔn)后三維模型直接電子分發(fā)下廠。

采用IPT模式后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案反復(fù)和設(shè)計更改明顯減少，研制周期進(jìn)一步縮短，研制成本也顯著降低。

4　結(jié)論

1） 和傳統(tǒng)的串行研制模式相比，基于IPT的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計模式可顯著提高研制效率，縮短研制周期，是液體火箭發(fā)動機(jī)研制模式的發(fā)展趨勢。

2）某液體火箭發(fā)動機(jī)通過采用該研制模式，實現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)、MBD模型設(shè)計和三維模型電子分發(fā)下廠，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機(jī)全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，同時也為后續(xù)開展三維數(shù)字化制造奠定了堅實基礎(chǔ)。

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（編輯：陳紅霞）

中圖分類號：V434-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9374（2016）03-0076-05

收稿日期：2015-08-09；修回日期：2015-09-13

基金項目：國家863項目（2013AA702302）

作者簡介：秦紅強(qiáng)（1983—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機(jī)總體設(shè)計

Study on 3D digital collaborative design of liquid rocket engine

QIN Hongqiang，WANG Meng，YANG Yalong，CHEN Yanlin，LIU Xueli
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

Abstract:In order to innovate the development mode of the liquid rocket engine，and improve the lever of the digital design and manufacture，the 3D digital collaborative design mode was used in the development of liquid rocket engine.The engine skeleton model was established with the top-down mode and multi-skeleton scheme，with which the paperless interface coordination was realized.Based on the MBD（model based definition）technology，the design，workmanship，material and manufacture information were contained in the 3D model which replaced the 2D drawings in the traditional design mode.The technologists in IPT（integrated product team）organized for the collaborative design intervened concurrently in the product design process，so that they can know the product structure and carry on the design of tooling and technical model in advance.The research results indicate that the 3D digital collaborative design can remarkably improve the development efficiency and shorten the development cycle.In addition，it laya solid foundation for the 3D digital manufacture industry.

Keywords:digital collaborative design；top-down design mode；skeleton model；model based definition technology；IPT