探讨飞机研制中新技术的实验运用

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1基于MBD的关联设计技术

在飞机设计中的应用全三维模型让后续环节的人员更容易理解设计意图，有效地改善了团队间的沟通。在关联设计环境中，所有工程师采用MBD技术进行产品的数字化定义，各种设计信息得到最大的共享，零部件的设计和标注非常方便，任何时候每位工程师的设计结果均会实时反映到全三维的数字样机中，以供其他专业使用。当上游专业的设计发生变化时，设计更改能够通过骨架模型自动地传递给下游下游专业只要接受骨架模型的更新，即可实现100%的设计更改。在型号研制过程中，通过采用基于MBD的关联设计技术，可以实现各专业间快速的迭代机制，减少设计错误，更好地保证产品设计质量。

1．1关联设计技术定义

飞机设计过程中，设计数模更改频繁，更改量大，通过定义总体、结构、接口骨架模型，可实现总体与结构、结构内部、结构与系统、系统内部之间的设计关联和信息共享，加快协调和更改的速度。设计上游的更改，能及时反映到相关设计专业，保持设计数据的一致性。飞机设计过程中典型的骨架模型拓扑图如图2所示。在产品的根目录下建立总体、结构、系统的骨架模型节点，该节点下包含了该专业在设计过程中将要用到的所有关键设计输入要素(如关键的点、线或站位面)。机头部段骨架只能引用总体专业的前机身站位骨架和结构专业的接口骨架，具体的零件或模块设计则通过引用机头部段骨架和相应的部件骨架开展详细设计，完成产品定义。

1．2骨架模型的分类

骨架模型作为关联设计的神经中枢，直接驱动着下游的零件设计，骨架模型划分是否合理，决定着自上向下设计的成败。骨架模型划分的合理，数据更新便可在各层级骨架模型间顺利传递，并最终驱动零件数据更新;骨架模型划分的不合理，可能会导致某些骨架过于庞大，骨架模型载入缓慢，元素结构树很难管理，元素不集中，设计员不易查找、调用，影响设计效率，骨架模型维护困难，严重的可能导致下游数据无法更新。骨架模型从上至下共分为四种:总体骨架、接口骨架、部段骨架和部件骨架总体骨架是其他骨架的基础，包含总体外形和整机布置站位两个部分，要先于其他骨架建立并，供下游建立接口骨架和部段骨架引用。接口骨架用于两个或多个部段之间对接协调区域的协调，由两个或多个部段对接协调的公用元素组成，接口骨架内的元素仅为各部段之间协调的元素。部段骨架是整个部段关联设计的基准，包含从总体骨架中引用的元素、从接口骨架中引用的各部段的协调元素、各部段细化的元素三部分内容。部段骨架中从总体引用的外形需要根据部段下游部件的特点进行适当地拆分，以便于后期部段骨架更新时可以减少影响面，部段骨架驱动下游零部件快速接收更改通知并能够进行下游的自动更新，同时保证不受影响的零件不需更新。总体骨架、接口骨架、部段骨架仅用于不同级别的协调，不得直接用于零件设计。部件骨架是下游部件内零件关联设计的基准，部件骨架由上层骨架拆分而来，是上层骨架局部的细化表达，部件骨架的数据量和元素减少，提高了设计效率，有利于关联设计的展开及管理，设计员只能使用部件骨架进行零件的详细设计。

1．3关联设计的工作原理

骨架设计员和零件设计员相互协同的工作状首先，骨架设计员创建一个新的模型，这个模型将承载设计中的关联关系，在骨架模型的设计过程中，骨架模型和产品零件之间不发生关联，当骨架模型被提升至A版时，具备了被下游引用的能力。其次，当骨架模型A版时，零件设计员可以发起设计任务，将骨架模型中的元素引用至零件中，零件和骨架之间将建立驱动关系，零件设计员将在骨架模型的控制下，进行上下文关联设计，并提升至A版。如果骨架模型发生更改，A版零件的关联关系仍与A版骨架模型相关联，不能与未的新版骨架模型关联，当骨架模型提升至B版后，重新定义链接关系，将B版零件与B版骨架进行关联。

2基于MBD的机翼肋的关联设计

结构专业根据总体专业的骨架模型开始进行全机结构骨架模型的建立，如机头、机身、机翼、平尾、垂尾部段骨架模型。机翼综合产品设计团队在机翼部段骨架的基础上进行机翼主要元素(如梁、肋站位等)的布置，建立部件骨架，后即可以开展肋的详细设计，设计员首先根据MBD模板生成零件的结构树，并在外部参考几何图形集下将生成该零件的站位基准面和机翼外形引入，如中央翼前梁站位、中央翼后梁站位、机翼弦平面、中央翼盒段上蒙皮外形、中央翼盒段下蒙皮外形、2肋等，当总体中央翼盒段下蒙皮外形发生变化，更改会自动从总体外形骨架传递到结构部段骨架，再传递到部件骨架，设计员只需要手动接受更新，肋的外形即可根据总体外形的变化而变化，从而完成总体和结构专业的关联设计。零件详细的结构设计完成后就可以在三维数模的基础上进行三维标注，所有的三维标注与具体的几何特征相关联，如果局部的几何特征发生更改，三维标注的尺寸信息也会自动进行更新，不用再生成和维护二维工程图，设计更改简单易行，更改传递畅通无阻，设计质量随之提高，设计周期大大缩短。

3基于MBD的关联设计技术在制造中的应用

3．1工艺数模与设计数模的关联设计

工艺数模和设计数模的关系是靠几何关联进行的。与工装不同，工艺数据要求的关联关系是保证数模之间本身有关联关系，这样能够保证工艺人员可以在数据成熟过程中进行一些工艺设计，如建立毛坯、定位孔等。可以通过系统开发来实现工艺和设计数据的关联机制，使设计的更改会快速地反映到工艺数模中。工艺人员在工艺设计规范的指导下，直接依据三维实体模型开展三维工艺开发工作，改变了以往同时依据二维工程图纸和三维实体模型来设计产品装配工艺和零件加工工艺的方式。

3．2工装数模与设计数模的关联设计

工装数模和设计数模的关联是通过对设计数模的引用来实现的。通过采用基于成熟度的并行协同机制，工装的设计就可以提前，在预发放数模的基础上展开设计，随着成熟度的不断提升，设计数模不断完善，工装设计也不断被细化，同时工装设计人员将反馈意见及时传递给设计人员，建立了良好的设计、制造、协调沟通机制，使设计缺陷降到最低。由于设计和工装是在统一的VPM系统中工作，采用MBD数字化定义技术，可以有效保证工装数模和设计数模上下文的关联。

4结束语

技术保证了上下游数据的无缝对接，实现了真正的数字量信息传递，使关联设计在飞机设计、制造过程中畅通无阻。通过骨架模型的定义，总体、结构、系统各专业的工作可以并行开展，工艺、工装、检验等可以在MBD数据集的基础上协同工作，全三维关联设计技术使得上下游设计信息沟通更加及时、准确，有效地改善了团队之间的沟通，使设计任务更清晰，设计更改简单、快速、易行，促进了面向制造、面向装配技术的应用，减少了设计错误，提高了产品质量，缩短了产品研制周期，必将为企业带来巨大的商业效益。

作者：田宪伟曲直单位：中航通飞研究院有限公司