趙海超，王 強(qiáng)，劉 敏

(洪都航空工業(yè)集團(tuán)，南昌330024）

基于VPM的教練機(jī)三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究

趙海超，王 強(qiáng)，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(jī)的設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)手段發(fā)生了巨大變化。本文探討了基于ENOVIA VPM平臺(tái)應(yīng)用CATIA軟件三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，分析了教練機(jī)三維協(xié)同設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)，著重介紹了三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在教練機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

教練機(jī)；協(xié)同設(shè)計(jì)；VPM

0 引言

教練機(jī)設(shè)計(jì)包括機(jī)動(dòng)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(jì)和制造周期長(zhǎng)，參與設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)眾多，工程設(shè)計(jì)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(zhuān)業(yè)之間設(shè)計(jì)周期的不同，設(shè)計(jì)人員之間沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)、漏、碰等問(wèn)題；當(dāng)一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)變更時(shí)，反饋周期長(zhǎng)，影響工程的設(shè)計(jì)進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量。而基于ENVOIA VPM系統(tǒng)平臺(tái)能夠?yàn)楦鲗?zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)化信息共享的平臺(tái)上進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，可有效解決傳統(tǒng)2D/3D CAD軟件功能的缺陷。

1 教練機(jī)三維協(xié)同設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

協(xié)同設(shè)計(jì)是指企業(yè)內(nèi)部不同部門(mén)、不同專(zhuān)業(yè)甚至同一項(xiàng)目的不同設(shè)計(jì)單位之間進(jìn)行協(xié)調(diào)和配合工作。教練機(jī)設(shè)計(jì)參與專(zhuān)業(yè)眾多，有總體、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、航電、機(jī)電、飛控和動(dòng)力系統(tǒng)等專(zhuān)業(yè)。協(xié)同設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了設(shè)計(jì)功能外，還具有管理功能，要實(shí)現(xiàn)教練機(jī)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)內(nèi)和專(zhuān)業(yè)間高效的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，需要從三維設(shè)計(jì)功能和信息共享管理上關(guān)注以下問(wèn)題的解決。

1.1 骨架模型設(shè)計(jì)

在教練機(jī)完成概念設(shè)計(jì)后，得到了教練機(jī)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(diǎn)、線、面及各類(lèi)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(jī)的骨架模型。它是一個(gè)具有多級(jí)抽象層次的裝配級(jí)設(shè)計(jì)模型，綜合了概念設(shè)計(jì)和零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)。骨架模型規(guī)劃了整個(gè)教練機(jī)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(shí)，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(gè)模型，是模型設(shè)計(jì)的脊梁柱。教練機(jī)結(jié)構(gòu)件、設(shè)備、管路等均要直接或者間接的依賴(lài)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(dòng)更改。

通過(guò)骨架模型反映出產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計(jì)意圖。此時(shí)的骨架模型是一個(gè)全局化的模型，既是總體設(shè)計(jì)的結(jié)果，又是零件設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的工作是通過(guò)這些基準(zhǔn)特征信息完成各個(gè)零件的實(shí)體建模，完成由裝配概念模型到產(chǎn)品實(shí)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(dòng)零（部）件模型，同時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔。在平面設(shè)計(jì)里，只有結(jié)構(gòu)本身的協(xié)調(diào)工作，而在三維設(shè)計(jì)里，三維模型非常龐大，而且各專(zhuān)業(yè)并行協(xié)調(diào)工作。這是平面設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)的一個(gè)重要區(qū)別。如果采用分散式的自下而上的建模方法，各專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)調(diào)信息需通過(guò)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(jì)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(diǎn)，同時(shí)又不失靈活性，通過(guò)劃分骨架模型設(shè)計(jì)權(quán)限，實(shí)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(jì)變更無(wú)法及時(shí)共享，導(dǎo)致與之相關(guān)的設(shè)計(jì)得不到最新的參數(shù)信息而產(chǎn)生錯(cuò)誤。對(duì)于數(shù)字化協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)而言，數(shù)據(jù)從建立開(kāi)始一直到整個(gè)教練機(jī)設(shè)計(jì)周期均被共享，設(shè)計(jì)者之間可以相互參閱，即時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，這樣對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期有很大的好處。

教練機(jī)三維協(xié)同設(shè)計(jì)需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，通過(guò)統(tǒng)一管理模型信息，保證各專(zhuān)業(yè)在最新版本的三維模型上工作，任何專(zhuān)業(yè)的修改對(duì)其他專(zhuān)業(yè)的影響能及時(shí)體現(xiàn)，同時(shí)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(zhuān)業(yè)三維設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

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

在三維設(shè)計(jì)方面，當(dāng)前業(yè)內(nèi)采用UG、CATIA進(jìn)行三維建模，但不同專(zhuān)業(yè)之間沒(méi)有統(tǒng)一，雖然可以完成教練機(jī)的三維設(shè)計(jì)，但不能保證設(shè)計(jì)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(jì)的零件模型是不能自動(dòng)及時(shí)更新的。因此，必須采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，并且保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。

1.4 設(shè)計(jì)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(jì)中，零件的表達(dá)與其相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法完全放在一起，當(dāng)然也沒(méi)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(jì)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(kù)技術(shù)和三維設(shè)計(jì)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(xún)、統(tǒng)計(jì)和管理等。

2 某型高教機(jī)三維協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

2.1 ENOVIA VPM平臺(tái)

VPM以設(shè)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、過(guò)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)的相關(guān)人員在整個(gè)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(shí)施基于CATIA的在線設(shè)計(jì)而搭建的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)存放在服務(wù)器中結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)的分解與分配、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)協(xié)同和歸檔、設(shè)計(jì)模板的管理與共享。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)具有可視的特點(diǎn)，可以大大提高平面設(shè)計(jì)的效率，改善設(shè)計(jì)質(zhì)量；三維數(shù)字化設(shè)計(jì)具有關(guān)聯(lián)性、參數(shù)化的特點(diǎn)，可以大大減少重復(fù)勞動(dòng)，逐步進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)積累，作為開(kāi)展知識(shí)工程，創(chuàng)建學(xué)習(xí)型組織的信息平臺(tái)；三維設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)協(xié)同、在線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以提高協(xié)同工作的效率，保證數(shù)據(jù)一致性和實(shí)時(shí)性，縮短設(shè)計(jì)周期，便于歸檔和即時(shí)的解決問(wèn)題。ENOVIA VPM平臺(tái)如圖1所示。

2.2 骨架模型設(shè)計(jì)

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(zhuān)業(yè)骨架，以及構(gòu)件/零件骨架。骨架模型采取多級(jí)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(zhuān)業(yè)組后，各專(zhuān)業(yè)組通過(guò)關(guān)聯(lián)引用總體骨架，建立自己本專(zhuān)業(yè)組的控制骨架，在專(zhuān)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(jī)總體設(shè)計(jì)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(jī)布局需要建立總體站位骨架模型，通過(guò)VPM平臺(tái)傳遞給相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員。圖2表示了機(jī)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(gè)機(jī)翼的骨架模型及其之間的關(guān)系；圖4表示的是機(jī)翼上各系統(tǒng)與機(jī)翼骨架模型的關(guān)系。

圖2 機(jī)翼骨架模型與總體骨架模型的關(guān)系

圖3 機(jī)翼骨架模型之間的關(guān)系

圖4 各系統(tǒng)與機(jī)翼骨架模型的關(guān)系

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

常用的三維設(shè)計(jì)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(guó)航空工業(yè)使用的主流三維設(shè)計(jì)軟件。

在使用CATIA建模時(shí)，為了做到協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，首先要對(duì)CATIA做一些必要的設(shè)置（見(jiàn)圖5），并且相關(guān)聯(lián)的零件需在一個(gè)父系裝配下進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6）。其次需做一些必要的要求：一是禁止啟用混合模式，因?yàn)閱⒂没旌夏Ｊ较喈?dāng)于設(shè)計(jì)過(guò)程打上了時(shí)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(kāi)，難于做到自動(dòng)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(huì)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(jī)加、鈑金、復(fù)合材料、管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須使用不同的工具。在建模方面，CATIA提供了機(jī)械零件設(shè)計(jì)模塊、航空鈑金模塊、復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊、管路設(shè)計(jì)模塊以及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊。圖7為CATIA V5R18的零件設(shè)計(jì)模塊的應(yīng)用界面，窗口中顯示的是一個(gè)已經(jīng)完成三維標(biāo)注的零件。其內(nèi)容包括了3個(gè)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(shù)。除了尺寸和公差外，還包括零件的注釋說(shuō)明、零件加工工藝過(guò)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(jì)選項(xiàng)設(shè)置

圖6 同父系下的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

圖7 基于CATIA的零件設(shè)計(jì)

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

ENOVIA VPM將教練機(jī)三維數(shù)字模型存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)和電子倉(cāng)庫(kù)服務(wù)器上，定義統(tǒng)一的命名規(guī)則、分類(lèi)和屬性，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員賦予不同的訪問(wèn)權(quán)限和規(guī)則等，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同設(shè)計(jì)。圖8是ENOVIA VPM中零件關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)示意；圖9表示的是查找某個(gè)零件影響來(lái)源結(jié)果，即零件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

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

1）確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的最新性和有效性，某個(gè)數(shù)據(jù)的更改，其他設(shè)計(jì)人員能夠立刻得知，保證即時(shí)協(xié)同，減少設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)樹(shù)。所有的設(shè)計(jì)人員都共用同一個(gè)教練機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹(shù)，保證數(shù)據(jù)相互參考和引用。

3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全管理，規(guī)范數(shù)據(jù)存取機(jī)制。

圖8 ENOVIA VPM零件關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

總之，ENOVIA VPM使每個(gè)設(shè)計(jì)人員在教練機(jī)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都能使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和最新版本的模型，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性。

3 結(jié) 語(yǔ)

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

1）設(shè)計(jì)更直觀形象，各專(zhuān)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(jì)、3D獨(dú)立設(shè)計(jì)出現(xiàn)的盲區(qū)，最大限度的減少更改過(guò)程中出現(xiàn)漏改，錯(cuò)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(guò)骨架模型的控制，可以做到全機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)工作：如強(qiáng)度通過(guò)調(diào)節(jié)骨架模型來(lái)控制機(jī)翼結(jié)構(gòu)主要傳力系統(tǒng)和主應(yīng)力水平，系統(tǒng)通過(guò)骨架模型進(jìn)行安裝協(xié)調(diào)，同時(shí)結(jié)構(gòu)通過(guò)骨架模型進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)，從而大大提高工作效率。

[1]劉俊堂，劉看旺.關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)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(jì)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(jì)方法及其應(yīng)用.車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2008.1.

>>>作者簡(jiǎn)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(jì)工作。

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《教練機(jī)》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）