采用MBD技術(shù)的液體火箭發(fā)動機三維模型設(shè)計

秦紅強，裴 曦，范文婷，張相盟，巨 龍

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

采用MBD技術(shù)的液體火箭發(fā)動機三維模型設(shè)計

秦紅強，裴 曦，范文婷，張相盟，巨 龍

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

采用MBD（Model Based Definition） 技術(shù)，以Pro/E和Intralink為協(xié)同設(shè)計平臺，首次實現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機的全三維數(shù)字化模型設(shè)計。通過將設(shè)計、工藝、材料和制造等相關(guān)信息包含在三維模型中，并將三維模型電子分發(fā)下廠，實現(xiàn)了用MBD模型完全取代傳統(tǒng)研制模式中的二維圖紙；同時基于MBD模型實現(xiàn)了三維仿真和裝配過程分析，減少了方案反復(fù)。結(jié)果表明采用MBD技術(shù)的三維模型設(shè)計可顯著提高產(chǎn)品研制效率，并為三維數(shù)字化制造奠定了堅實基礎(chǔ)。

MBD；液體火箭發(fā)動機；三維模型；協(xié)同設(shè)計；三維仿真

0 引言

目前液體火箭發(fā)動機研制大多采用二維圖紙為主、三維模型為輔的數(shù)字化研制模式。設(shè)計人員先完成產(chǎn)品方案設(shè)計和三維模型，然后將三維模型投影成二維圖紙，在完成所有尺寸標(biāo)注和信息填寫后曬蘭下廠，二維圖紙成為生產(chǎn)加工的唯一依據(jù)。在該研制模式下，三維模型僅用于方案設(shè)計和輔助出圖，不能用于產(chǎn)品加工、裝配和檢驗等，未能充分發(fā)揮三維模型的作用。

隨著信息化和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，采用MBD（基于模型定義，Model Based Definition，簡稱MBD)技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計與制造模式已在國內(nèi)外航空、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并引起了設(shè)計過程和制造模式的革命性變革。該模式將MBD模型作為設(shè)計、加工過程中信息的唯一載體，并為并行協(xié)同設(shè)計提供了技術(shù)途徑。

結(jié)合液體火箭發(fā)動機研制特點，通過采用MBD技術(shù)，某液體火箭發(fā)動機在國內(nèi)首次實現(xiàn)了發(fā)動機全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計。本文主要論述了MBD技術(shù)在該液體火箭發(fā)動機數(shù)字化設(shè)計中的應(yīng)用情況，進一步促進了MBD技術(shù)在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 MBD技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 MBD技術(shù)

基于模型定義 (MBD)技術(shù)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數(shù)字化定義方法。

MBD技術(shù)最初由波音公司于20世紀90年代提出，并于2003年被美國ASME批準(zhǔn)為機械產(chǎn)品工程模型的定義標(biāo)準(zhǔn)，即ASME Y14.41《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)程》。后來波音公司在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做了進一步研究，制定了BDS-600系列應(yīng)用規(guī)范。2006年，ISO組織借鑒ASME Y14.41和BDS-600標(biāo)準(zhǔn)，制定了ISO 16792標(biāo)準(zhǔn)，進一步推動了數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展[1-2]。

MBD是產(chǎn)品定義方式的一次革命，它以更為強大的表現(xiàn)力和易于理解的定義方式，極大地提高了產(chǎn)品定義的設(shè)計質(zhì)量和利用效率，使設(shè)計、制造融為一體，代表著未來產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向[3]。

1.2 國外應(yīng)用情況

波音公司早在20世紀90年代中期就已提出MBD的概念。從2004年開始，波音公司在787客機的設(shè)計和制造中開始全面應(yīng)用MBD技術(shù)，實現(xiàn)三維模型完全取代二維圖紙。MBD技術(shù)使三維實體模型成為飛機研制過程中的唯一依據(jù)，有效提升了飛機研制的效率和質(zhì)量，并為波音公司帶來了巨大的效率[4]。2009年，波音公司在新一代“戰(zhàn)神”航天運載器研制中采用了MBD技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，縮短裝配工期57%。與此同時，空客、洛克希德·馬丁等公司也在項目研制中全面采用了MBD技術(shù)[1]。

1.3 國內(nèi)應(yīng)用情況

在國內(nèi)，許多學(xué)者和航空航天單位已經(jīng)充分認識到MBD技術(shù)將是今后數(shù)字化設(shè)計與制造的發(fā)展趨勢，并大力開展以MBD為代表的數(shù)字化技術(shù)的研究與應(yīng)用。2009年，全國技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會借鑒國外MBD先進經(jīng)驗，結(jié)合我國機械行業(yè)實際情況，制定了GB/T 24734系列《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》，對產(chǎn)品的三維設(shè)計制造進行了相關(guān)規(guī)定[1,5]。

目前MBD技術(shù)在國內(nèi)航空領(lǐng)域應(yīng)用較多，并已在以大飛機為代表的多種型號飛機的數(shù)字化設(shè)計與制造中得到應(yīng)用[2-4,6-9]。在航天領(lǐng)域，MBD技術(shù)的應(yīng)用則起步相對較晚，目前僅在新一代運載火箭上初步使用[1,10,11]，在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用則相對較少。

2 MBD模型設(shè)計及應(yīng)用

為了改進液體火箭發(fā)動機研制模式，提升我國液體火箭發(fā)動機設(shè)計水平，某液體火箭發(fā)動機采用了MBD技術(shù)，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了發(fā)動機全三維數(shù)字化設(shè)計，促進了MBD技術(shù)在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

2.1 協(xié)同設(shè)計平臺

要實現(xiàn)采用MBD技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計，必需構(gòu)建一個三維協(xié)同設(shè)計平臺。首先是選擇三維建模軟件，目前比較流行的三維設(shè)計軟件有很多，如 CATIA、Pro/E(Creo)、UG、SolidWorks和AutoCAD等。為了便于與火箭總體進行結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，某液體火箭發(fā)動機采用了PTC公司的Pro/E軟件作為三維建模軟件。在有了三維設(shè)計軟件之后，協(xié)同平臺還要為用戶提供一個與三維設(shè)計無縫集成的模型共享機制，確保產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)的一致性、共享性、有效性、完整性和可追溯性。Intralink是PTC公司開發(fā)的一個與Pro/E軟件無縫集成又基于WEB的設(shè)計協(xié)同平臺，它支持不同部門的多個CAD用戶實時進行協(xié)同設(shè)計[1]。因此某液體火箭發(fā)動機最終選擇Pro/E+Intralink作為三維協(xié)同設(shè)計平臺，其工作流程見圖1[12-13]。

2.2 三維設(shè)計規(guī)范

三維設(shè)計和原有的二維設(shè)計是兩種不同的設(shè)計模式，必須有合理、嚴格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行約束。

首先結(jié)合液體火箭發(fā)動機設(shè)計特點，參考國內(nèi)外三維數(shù)字化設(shè)計規(guī)范，制定了二十余項適用于液體火箭發(fā)動機的三維數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化了三維模板、三維模型命名、三維模型著色、標(biāo)準(zhǔn)件庫使用、三維標(biāo)注和模型管理等內(nèi)容。

2.3 三維模型設(shè)計

建立MBD三維模型是開展三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計與制造的基礎(chǔ)和核心工作，該模型必須確保包含所有設(shè)計信息。

在某液體火箭發(fā)動機研制中，設(shè)計人員按照系統(tǒng)設(shè)計要求進行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和規(guī)范化三維建模，并采用IPT模式完成工藝會簽、標(biāo)審等工作，其中三維建模和三維標(biāo)注模型設(shè)計的核心工作。目前三維標(biāo)注工作包含全尺寸標(biāo)注，明確技術(shù)要求和模型屬性參數(shù)（見表1）填寫等工作，其中全尺寸標(biāo)注和技術(shù)要求與原有二維圖紙包含內(nèi)容基本一致，而三維模型屬性參數(shù)則用于明確材料屬性、工藝路線和更改信息等內(nèi)容。MBD模型實現(xiàn)了真正的無紙化設(shè)計。

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

2.4 設(shè)計狀態(tài)控制

設(shè)計狀態(tài)控制是設(shè)計工作的一項重要內(nèi)容。在使用二維圖紙時，曬蘭下廠圖紙代表了產(chǎn)品最終設(shè)計狀態(tài)，某液體火箭發(fā)動機則通過三維模型版本號來區(qū)分。因此為了保證設(shè)計狀態(tài)的正確性和唯一性，需要對三維模型版本號進行嚴格控制和區(qū)分。

由于Intralink平臺不能實現(xiàn)流程管理，因此某液體火箭發(fā)動機采用了Avidm+Intralink協(xié)同管理模式，其中Avidm負責(zé)管理三維模型審批表、明細表和更改單，Intralink平臺實現(xiàn)三維模型存儲、共享和基線管理。在三維模型審批表和更改單中需具體明確最終設(shè)計狀態(tài)的模型版本號和基線號，確保設(shè)計狀態(tài)全程受控。

2.5 三維模型分發(fā)

在傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式中，電子圖紙需曬蘭后分發(fā)下廠，工藝人員在接收到曬蘭圖紙后才能開始工藝文件設(shè)計、工裝設(shè)計等工作。采用MBD技術(shù)完成三維模型設(shè)計后，模型分發(fā)下廠流程也隨之發(fā)生變化。

在某液體火箭發(fā)動機設(shè)計中，設(shè)計人員完成模型文件審批流程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，工藝人員根據(jù)三維模型審批表在Intralink中下載和查看相關(guān)三維模型，然后開展后續(xù)工作。電子分發(fā)簡化了三維模型下廠流程，在提高工作效率的同時又降低了研制成本。

2.6 三維模型更改

產(chǎn)品設(shè)計狀態(tài)更改是發(fā)動機研制過程中不可避免的工作內(nèi)容。傳統(tǒng)的二維圖紙更改一般采用刮改、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。

采用ProE軟件建立的三維模型可實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，對于不改變拓撲結(jié)構(gòu)的簡單更改，僅需對建模特征參數(shù)進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。對于改變拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜更改，則需對更改特征進行重新建模，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。

2.7 三維仿真分析

隨著仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真分析已成為液體火箭發(fā)動機研制的重要內(nèi)容。由于液體火箭發(fā)動機及其組件結(jié)構(gòu)方案復(fù)雜，并涉及流動、傳熱、燃燒等復(fù)雜物理化學(xué)變化，一維和二維仿真分析不能完全模擬發(fā)動機真實工況情況。采用三維數(shù)字化設(shè)計后，仿真分析模型更加真實，載荷加載和邊界定義更加準(zhǔn)確，可進一步提高仿真分析的準(zhǔn)確度和精確度。

在某液體火箭發(fā)動機研制中，發(fā)動機整機和相關(guān)組件均開展了剛度、強度、流場、傳熱以及氣熱固耦合等三維仿真分析 (見圖2)，并根據(jù)仿真分析結(jié)果進行方案和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使最終設(shè)計方案更加完善，發(fā)動機性能和可靠性有了進一步提高[14]。MBD模型的建立促使三維仿真分析進入了發(fā)動機研制主流程。

2.8 三維裝配模擬

液體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部組件數(shù)量多，若結(jié)構(gòu)方案設(shè)計不合理，很可能出現(xiàn)產(chǎn)品加工好后裝配困難或者無法裝配問題。在建立全三維模型后，可在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段利用三維模型進行產(chǎn)品裝配過程模擬仿真，提早發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計缺陷，避免結(jié)構(gòu)方案反復(fù)。同時三維模型可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場裝配，提高裝配效率。

某液體火箭發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)綜合演示驗證裝置為首次研制，包含了二十多種新研組件，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，通過開展三維數(shù)字化模裝進行裝配方案驗證，首臺產(chǎn)品實現(xiàn)了一次性成功裝配。

3 結(jié)論和建議

1）和傳統(tǒng)的二維研制模式相比，采用MBD技術(shù)的三維數(shù)字化設(shè)計可顯著提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短研制周期。該研制模式也已成為液體火箭發(fā)動機研制模式的發(fā)展趨勢。

2）MBD技術(shù)在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，目前僅實現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計，后續(xù)應(yīng)爭取實現(xiàn)三維數(shù)字化制造，全面推進液體火箭發(fā)動機三維數(shù)字化研制工作。

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（編輯：陳紅霞）

The3Dmodeldesign of liquid rocket engine using MBD technology

QIN Hongqiang,PEIXi,FANWenting,ZHANG Xiangmeng,JU Long
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Using MBD（Model Based Definition） technology,the 3D model design of liquid rocketenginewas realized on the platform of Pro/Eand Intralink for the first time.The design,process, material and manufacture information were contained in the 3D model which were distributed electronically to factory and replaced the 2D draw ings in the traditional developmentmode.Based on theMBDmodel,the3D simulation and assembling processanalysiswere carried out,which decreased thescheme iteration.The research resultsindicate that the3Dmodeldesign usingMBD technology can remarkably increase the developmentefficiency.Meanwhile,it can lay a solid foundation for the 3D digitalmanufacture.

model based definition;liquid rocket engine;3D model;collaborative design;3D simulation

V434-34

A

1672-9374(2017)03-0042-05

2016-11-01；

2017-02-13

國家863項目（2013AA70202）

秦紅強（1983—），男，工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機總體設(shè)計