趙海超，王 強，劉 敏

(洪都航空工業(yè)集團(tuán)，南昌330024）

基于VPM的教練機三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)應(yīng)用研究

趙海超，王 強，劉 敏

(洪都航空工業(yè)集團(tuán)，南昌330024）

隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，教練機的設(shè)計方式和設(shè)計手段發(fā)生了巨大變化。本文探討了基于ENOVIA VPM平臺應(yīng)用CATIA軟件三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)，分析了教練機三維協(xié)同設(shè)計相關(guān)技術(shù)，著重介紹了三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)在教練機設(shè)計中的應(yīng)用。

教練機；協(xié)同設(shè)計；VPM

0 引言

教練機設(shè)計包括機動性、操縱性、穩(wěn)定性、壽命、可靠性、成本以及可制造性等多種因素，其設(shè)計和制造周期長，參與設(shè)計的專業(yè)眾多，工程設(shè)計和管理復(fù)雜。盡管傳統(tǒng)的2D/3D CAD軟件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但由于專業(yè)之間設(shè)計周期的不同，設(shè)計人員之間沒有統(tǒng)一的設(shè)計平臺，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)錯、漏、碰等問題；當(dāng)一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)變更時，反饋周期長，影響工程的設(shè)計進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量。而基于ENVOIA VPM系統(tǒng)平臺能夠為各專業(yè)設(shè)計人員提供一個基于網(wǎng)絡(luò)化信息共享的平臺上進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計，可有效解決傳統(tǒng)2D/3D CAD軟件功能的缺陷。

1 教練機三維協(xié)同設(shè)計相關(guān)技術(shù)

協(xié)同設(shè)計是指企業(yè)內(nèi)部不同部門、不同專業(yè)甚至同一項目的不同設(shè)計單位之間進(jìn)行協(xié)調(diào)和配合工作。教練機設(shè)計參與專業(yè)眾多，有總體、結(jié)構(gòu)、強度、航電、機電、飛控和動力系統(tǒng)等專業(yè)。協(xié)同設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，除了設(shè)計功能外，還具有管理功能，要實現(xiàn)教練機設(shè)計專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間高效的三維協(xié)同設(shè)計，需要從三維設(shè)計功能和信息共享管理上關(guān)注以下問題的解決。

1.1 骨架模型設(shè)計

在教練機完成概念設(shè)計后，得到了教練機的結(jié)構(gòu)布局和初步的零部件布置方案，在CAD軟件中以點、線、面及各類基準(zhǔn)等幾何元素加以表示，這些幾何元素構(gòu)成了教練機的骨架模型。它是一個具有多級抽象層次的裝配級設(shè)計模型，綜合了概念設(shè)計和零部件詳細(xì)設(shè)計。骨架模型規(guī)劃了整個教練機的總體結(jié)構(gòu)，零部件的基本空間定位，以及各零件之間的裝配關(guān)系。在建立骨架模型的同時，完成產(chǎn)品向具體裝配結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換。骨架模型必須是可控的，用于支撐整個模型，是模型設(shè)計的脊梁柱。教練機結(jié)構(gòu)件、設(shè)備、管路等均要直接或者間接的依賴于骨架模型。骨架模型的更改后，與之關(guān)聯(lián)的零（部）件能夠自動更改。

通過骨架模型反映出產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計意圖。此時的骨架模型是一個全局化的模型，既是總體設(shè)計的結(jié)果，又是零件設(shè)計的起點，詳細(xì)設(shè)計階段的工作是通過這些基準(zhǔn)特征信息完成各個零件的實體建模，完成由裝配概念模型到產(chǎn)品實體模型的映射。

骨架模型的核心是要理順模型之間的從屬關(guān)系，骨架模型不但要能夠有效驅(qū)動零（部）件模型，同時應(yīng)盡量簡潔。在平面設(shè)計里，只有結(jié)構(gòu)本身的協(xié)調(diào)工作，而在三維設(shè)計里，三維模型非常龐大，而且各專業(yè)并行協(xié)調(diào)工作。這是平面設(shè)計和三維設(shè)計的一個重要區(qū)別。如果采用分散式的自下而上的建模方法，各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)信息需通過數(shù)據(jù)交換而不能直觀的獲得相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，導(dǎo)致設(shè)計效率較低。

在如此龐大的三維模型中，采用自上而下建模方法的骨架模型是非常有效的組織形式，它可以避免分散的自下而上的建模方式的主要缺點，同時又不失靈活性，通過劃分骨架模型設(shè)計權(quán)限，實現(xiàn)并行協(xié)同工作。

1.2 統(tǒng)一的基準(zhǔn)、參考和三維模型

當(dāng)前，設(shè)計變更無法及時共享，導(dǎo)致與之相關(guān)的設(shè)計得不到最新的參數(shù)信息而產(chǎn)生錯誤。對于數(shù)字化協(xié)調(diào)設(shè)計而言，數(shù)據(jù)從建立開始一直到整個教練機設(shè)計周期均被共享，設(shè)計者之間可以相互參閱，即時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，這樣對提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期有很大的好處。

教練機三維協(xié)同設(shè)計需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，通過統(tǒng)一管理模型信息，保證各專業(yè)在最新版本的三維模型上工作，任何專業(yè)的修改對其他專業(yè)的影響能及時體現(xiàn)，同時方便定義角色、分配權(quán)限，防止越權(quán)修改和誤操作等。

1.3 總體、結(jié)構(gòu)和航電等專業(yè)三維設(shè)計和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

雖然教練機的設(shè)計采用了基于三維的專業(yè)CAD軟件，但是專業(yè)之間是以二維圖紙及說明文檔形式傳遞設(shè)計信息。因此，下游專業(yè)應(yīng)用該信息時必須對上游專業(yè)信息重新理解和構(gòu)造，這樣無法保證設(shè)計依據(jù)的即時性和有效性，設(shè)計變更時修改工作量大。而三維模型容易理解，無歧義，各專業(yè)三維模型可以關(guān)聯(lián)，設(shè)計變更快。

在三維設(shè)計方面，當(dāng)前業(yè)內(nèi)采用UG、CATIA進(jìn)行三維建模，但不同專業(yè)之間沒有統(tǒng)一，雖然可以完成教練機的三維設(shè)計，但不能保證設(shè)計關(guān)聯(lián)性，例如，由于總體理論外形更改，下游結(jié)構(gòu)設(shè)計的零件模型是不能自動及時更新的。因此，必須采用統(tǒng)一的設(shè)計平臺，并且保證設(shè)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。

1.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)、參數(shù)、關(guān)聯(lián)信息的管理

在傳統(tǒng)的2D/3D設(shè)計中，零件的表達(dá)與其相關(guān)的設(shè)計參數(shù)無法完全放在一起，當(dāng)然也沒有直接的聯(lián)系，這些技術(shù)資料的保存和更新工作都很繁瑣。

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的三維模型含有大量參數(shù)和關(guān)聯(lián)信息，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)和三維設(shè)計技術(shù)結(jié)合，能夠深入到三維模型內(nèi)部，便捷地提取這些信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計和管理等。

2 某型高教機三維協(xié)同設(shè)計應(yīng)用實例

2.1 ENOVIA VPM平臺

VPM以設(shè)計產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)對產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、過程進(jìn)行集成管理的技術(shù)。VPM的核心在于能夠使所有參與項目開發(fā)的相關(guān)人員在整個產(chǎn)品周期中自由瀏覽或共享產(chǎn)品相關(guān)的同構(gòu)或者異構(gòu)數(shù)據(jù)。ENOVIA VPM系統(tǒng)是為實施基于CATIA的在線設(shè)計而搭建的協(xié)同設(shè)計平臺，對存放在服務(wù)器中結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計任務(wù)的分解與分配、設(shè)計數(shù)據(jù)的動態(tài)協(xié)同和歸檔、設(shè)計模板的管理與共享。三維數(shù)字化設(shè)計具有可視的特點，可以大大提高平面設(shè)計的效率，改善設(shè)計質(zhì)量；三維數(shù)字化設(shè)計具有關(guān)聯(lián)性、參數(shù)化的特點，可以大大減少重復(fù)勞動，逐步進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和知識積累，作為開展知識工程，創(chuàng)建學(xué)習(xí)型組織的信息平臺；三維設(shè)計具有實時協(xié)同、在線設(shè)計的特點，可以提高協(xié)同工作的效率，保證數(shù)據(jù)一致性和實時性，縮短設(shè)計周期，便于歸檔和即時的解決問題。ENOVIA VPM平臺如圖1所示。

2.2 骨架模型設(shè)計

骨架模型從功能上可以分為理論站位骨架和理論外形骨架。從層次上分為總體骨架、專業(yè)骨架，以及構(gòu)件/零件骨架。骨架模型采取多級別的組織形式，總體控制骨架由總師確定統(tǒng)一發(fā)布，總體骨架模型發(fā)布到各專業(yè)組后，各專業(yè)組通過關(guān)聯(lián)引用總體骨架，建立自己本專業(yè)組的控制骨架，在專業(yè)骨架模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化構(gòu)件/零件的骨架。

例如某型教練機總體設(shè)計人員根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，建立的理論外形骨架模型，并根據(jù)飛機布局需要建立總體站位骨架模型，通過VPM平臺傳遞給相關(guān)專業(yè)設(shè)計人員。圖2表示了機翼骨架模型與總體骨架模型之間的關(guān)系；圖3表示的是整個機翼的骨架模型及其之間的關(guān)系；圖4表示的是機翼上各系統(tǒng)與機翼骨架模型的關(guān)系。

圖2 機翼骨架模型與總體骨架模型的關(guān)系

圖3 機翼骨架模型之間的關(guān)系

圖4 各系統(tǒng)與機翼骨架模型的關(guān)系

2.3 應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行教練機三維設(shè)計

常用的三維設(shè)計軟件有 UG、Pro/E、CATIA、CAXA等，以達(dá)索的CATIA最具代表性，也是波音、空客和我國航空工業(yè)使用的主流三維設(shè)計軟件。

在使用CATIA建模時，為了做到協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計，首先要對CATIA做一些必要的設(shè)置（見圖5），并且相關(guān)聯(lián)的零件需在一個父系裝配下進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計（見圖6）。其次需做一些必要的要求：一是禁止啟用混合模式，因為啟用混合模式相當(dāng)于設(shè)計過程打上了時間標(biāo)簽，導(dǎo)致零件難于更新。二是禁止引用未發(fā)布的元素，引用未發(fā)布的元素，鏈接容易斷開，難于做到自動更新。三是零件之間盡量不做相互引用，零件間的完整草圖禁止引用，零件之間相互引用，容易引起死循環(huán)，關(guān)系會混亂，難于更新，引用完整草圖也是同樣的道理。

由于加工方法的不同，建模方法也不同。機加、鈑金、復(fù)合材料、管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計必須使用不同的工具。在建模方面，CATIA提供了機械零件設(shè)計模塊、航空鈑金模塊、復(fù)合材料設(shè)計模塊、管路設(shè)計模塊以及電氣系統(tǒng)設(shè)計模塊。圖7為CATIA V5R18的零件設(shè)計模塊的應(yīng)用界面，窗口中顯示的是一個已經(jīng)完成三維標(biāo)注的零件。其內(nèi)容包括了3個部分：零件的幾何模型、零件的尺寸和公差標(biāo)注和零件的結(jié)構(gòu)樹。除了尺寸和公差外，還包括零件的注釋說明、零件加工工藝過程所必須提供的產(chǎn)品描述性定義信息、裝配連接定義等。

圖5 CATIA關(guān)聯(lián)設(shè)計選項設(shè)置

圖6 同父系下的關(guān)聯(lián)設(shè)計

圖7 基于CATIA的零件設(shè)計

2.4 應(yīng)用ENOVIA VPM管理數(shù)字化教練機零部件模型和參考

ENOVIA VPM將教練機三維數(shù)字模型存儲到數(shù)據(jù)庫和電子倉庫服務(wù)器上，定義統(tǒng)一的命名規(guī)則、分類和屬性，同時為設(shè)計人員賦予不同的訪問權(quán)限和規(guī)則等，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同設(shè)計。圖8是ENOVIA VPM中零件關(guān)聯(lián)設(shè)計示意；圖9表示的是查找某個零件影響來源結(jié)果，即零件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

ENOVIA VPM集成CATIA后，獨立自設(shè)計變成了集中在線設(shè)計，能夠發(fā)揮以下優(yōu)勢：

1）確保設(shè)計數(shù)據(jù)的最新性和有效性，某個數(shù)據(jù)的更改，其他設(shè)計人員能夠立刻得知，保證即時協(xié)同，減少設(shè)計數(shù)據(jù)更新的延誤性和不準(zhǔn)確性。

2）唯一的工程設(shè)計結(jié)構(gòu)樹。所有的設(shè)計人員都共用同一個教練機設(shè)計結(jié)構(gòu)樹，保證數(shù)據(jù)相互參考和引用。

3）加強數(shù)據(jù)安全管理，規(guī)范數(shù)據(jù)存取機制。

圖8 ENOVIA VPM零件關(guān)聯(lián)設(shè)計

總之，ENOVIA VPM使每個設(shè)計人員在教練機的整個設(shè)計過程中都能使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和最新版本的模型，保證設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性。

3 結(jié) 語

基于ENOVIA VPM平臺，應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行教練機三維協(xié)同設(shè)計與傳統(tǒng)2D/3D設(shè)計相比具有很大優(yōu)勢：

1）設(shè)計更直觀形象，各專業(yè)間的數(shù)據(jù)交流更容易和方便。

2）避免2D平面設(shè)計、3D獨立設(shè)計出現(xiàn)的盲區(qū)，最大限度的減少更改過程中出現(xiàn)漏改，錯改。

3）上游數(shù)據(jù)的變更使下游零部件/構(gòu)件同步更新，大大節(jié)省工作量。

4）通過骨架模型的控制，可以做到全機協(xié)同設(shè)計工作：如強度通過調(diào)節(jié)骨架模型來控制機翼結(jié)構(gòu)主要傳力系統(tǒng)和主應(yīng)力水平，系統(tǒng)通過骨架模型進(jìn)行安裝協(xié)調(diào)，同時結(jié)構(gòu)通過骨架模型進(jìn)行零部件設(shè)計，從而大大提高工作效率。

[1]劉俊堂，劉看旺.關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在飛機研制中的應(yīng)用.航空制造技術(shù)，2008.14.

[2]曾剛.協(xié)同設(shè)計制造與 CATIA.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2008.1.

[3]劉紅珍，苗衛(wèi)東，張華.三維協(xié)同設(shè)計方法及其應(yīng)用.車輛與動力技術(shù)，2008.1.

>>>作者簡介

趙海超，男，1982年11月出生，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

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《教練機》編輯部

Application Study on 3D Correlative Design Technique for Trainer Based on VPM

Zhao Haichao,Wang Qiang,Liu Min
(Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang 330024)

The design methods and means of trainer have been changed a lot with the development of CAD technique.This paper discusses the 3D cooperative design technique for trainer with application of CATIA software based on ENOVIA VPN.It also analyzes the correlative technique of 3D cooperative design for trainer and with the emphasis application of 3D cooperative technique in trainer design.

Cooperative Design;VPM;Trainer

2011-07-09）