張石英

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

隨著計算機信息技術(shù)的飛速發(fā)展和我國飛機制造業(yè)數(shù)字化并行工程應用工作的開展，數(shù)字化設計技術(shù)在飛機研制中的應用有了突飛猛進的發(fā)展。全面采用數(shù)字化設計技術(shù)已經(jīng)成為目前大部分制造企業(yè)，特別是軍工制造業(yè)解決傳統(tǒng)飛機研制模式不足的重要手段之一。在此大環(huán)境影響下，飛機管路系統(tǒng)數(shù)字化設計也成了飛機數(shù)字化設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

飛機管路零件的制造技術(shù)水平的提高也對管路系統(tǒng)設計不斷提出新的需求。近幾年來，國內(nèi)外均提出用數(shù)字量即CATIA三維數(shù)模替代模擬量的重要性。過去導管設計與制造之間主要采用模擬量實樣進行傳遞,嚴重影響信息傳遞精度和效率,采用導管三維建?？梢詷O大的提高導管的設計速度、信息傳遞精度和效率,進而提高導管零件的成形質(zhì)量和設計制造效率[1]。數(shù)字量的CATIA模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標準實樣，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、仿真優(yōu)化、成形制造、檢驗全過程的數(shù)字化信息傳遞[2]。以模線、樣板等模擬量為制造依據(jù)的協(xié)調(diào)方式不再能完全滿足現(xiàn)代飛機的研制要求，以數(shù)字量為制造依據(jù)的協(xié)調(diào)方式逐漸成為現(xiàn)代飛機研制的主流。在此情況下，飛機管路的三維數(shù)字化設計技術(shù)已成為現(xiàn)代飛機協(xié)同研制工作不可缺少的一部分。

本文針對飛機管路系統(tǒng)設計技術(shù)的應用情況，提出了管路數(shù)字化設計技術(shù)應用方案，闡述了實現(xiàn)飛機管路系統(tǒng)數(shù)字化設計的技術(shù)方法，對推進導管設計的全數(shù)字化有重要意義，也為后續(xù)機型管路系統(tǒng)的數(shù)字化設計工作的順利開展起到指導和實施的作用。

1 飛機管路數(shù)字化設計技術(shù)應用分析

1.1 國內(nèi)外飛機管路數(shù)字化設計技術(shù)應用現(xiàn)狀

1986年，美國波音公司開始采用三維數(shù)字化設計技術(shù)對747-400液壓管路系統(tǒng)進行設計。作為世界上第一個采用全數(shù)字化定義和無圖紙生產(chǎn)技術(shù)的大型飛機項目，波音777飛機開發(fā)、研制、制造、一次試飛成功的根本途徑就是采用了數(shù)字化設計技術(shù)[3]。

近年來，國內(nèi)飛機導管數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展迅速，面向制造導管三維快速建模、導管數(shù)控彎曲過程建模與有限元仿真技術(shù)在各大飛機制造廠開始應用，配合現(xiàn)有的數(shù)控彎管機、激光矢量測量機，不僅大大縮短了工藝準備時間，還優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。上海飛機設計研究院在新支線飛機ARJ21的研制過程中，全機設計100%采用三維數(shù)字化定義和數(shù)字化樣機，導管以三維數(shù)模發(fā)放。成都飛機制造廠在某運輸機研制過程中，導管以三維數(shù)模為依據(jù)，直接將CATIA產(chǎn)品數(shù)模轉(zhuǎn)換為工藝數(shù)模，生成機床數(shù)控代碼，實現(xiàn)了數(shù)控彎管和激光測量檢驗，導管零件全部合格交付。

管路系統(tǒng)的數(shù)字化設計在縮短產(chǎn)品研制周期、實現(xiàn)飛機數(shù)字化設計全過程方面已經(jīng)成了不可忽略的一個關(guān)鍵要素之一。

1.2 傳統(tǒng)的導管制造模式分析

在飛機導管制造方面，傳統(tǒng)的導管制造通常采用“先取樣后生產(chǎn)”的模式，用實樣作為制造依據(jù)。導管設計的實樣采用二維圖紙，僅僅劃出示意圖，無空間走向。制造部門通過取樣制造夾具后進行導管生產(chǎn)，存在諸多的問題。比如：

1）實樣取制周期長，勞動強度大；

2）實樣傳遞制造依據(jù)，無法保證質(zhì)量；

3）反復取樣，返修夾具，生產(chǎn)被動，管理不便；

4）無法滿足現(xiàn)代飛機CAD/CAM數(shù)字化制造的需求。

針對傳統(tǒng)導管制造方法存在的問題，為了縮短設計周期，提高數(shù)控彎管機的利用率，提高生產(chǎn)效率，導管的數(shù)字化制造對設計部門提出了新的需求即管路系統(tǒng)的數(shù)字化設計。唯有從制造導管的源頭出發(fā)，而制造導管的數(shù)據(jù)信息源頭就是導管零件，它為后續(xù)的模具設計、彎曲工藝分析、成形過程的分析與數(shù)值模擬等工作提供了基本信息源。因此采用導管零件的三維數(shù)字化設計建模，改變信息流的傳遞方式由原來的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信息傳遞，可有效解決上述問題。

2 飛機管路系統(tǒng)設計技術(shù)應用方案

2.1 飛機管路系統(tǒng)設計概況

飛機管路系統(tǒng)作為傳輸能量工作介質(zhì)的工作單元，敷設在全機各個部位，是飛機產(chǎn)品中不可缺少的部分，主要包括液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、航空儀表管路等等。其工作環(huán)境比較嚴酷，高溫區(qū)、高振動區(qū)、外露部位均有。有些導管還需經(jīng)常拆卸。隨著飛機飛行速度的不斷提高，飛機高度的增加，將導致管路內(nèi)的工作介質(zhì)壓力提高，流量增大及工作溫度上升。這一切的因素都將給管路系統(tǒng)數(shù)字化設計帶來一定的難度。

2.2 背景分析

從設計角度考慮，為了縮短設計周期，飛機研制采用三維數(shù)字化設計手段建立電子樣機，采用數(shù)字化并行工程。在此形勢下，飛機管路系統(tǒng)設計需要從技術(shù)上進行改進。

從制造角度考慮，傳統(tǒng)的導管建模方式采用UG軟件通過創(chuàng)建關(guān)鍵點構(gòu)造曲線，再以曲線為軸線用TUBE命令做出導管。而傳統(tǒng)的導管制造方式是靠模線樣板來手工制造，這種設計方式是可以的。但是應用數(shù)控彎管機后，由于數(shù)控彎管機只能加工直線和圓弧的導管，生產(chǎn)制造部門在使用數(shù)控彎管機加工生產(chǎn)數(shù)控彎管時，這種只憑借樣條曲線已經(jīng)不能滿足工藝部門采集數(shù)據(jù)、數(shù)控彎管成形的要求。由此對管路的設計方式提出了新的要求。

2.3 管路數(shù)字化設計技術(shù)應用方案

要實現(xiàn)管路系統(tǒng)的數(shù)字化設計，首先需要解決管路設計環(huán)境的問題。其次考慮的是實現(xiàn)管路數(shù)字化設計的技術(shù)途徑問題。一方面要淘汰傳統(tǒng)的導管實物取樣環(huán)節(jié)，實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；另一方面遵循飛機協(xié)同設計的思想，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短飛機研制周期。因此設計環(huán)境采用CATIA軟件和VPM系統(tǒng)平臺，質(zhì)量控制方面以CATIA后臺參照行業(yè)標準和企業(yè)規(guī)范開發(fā)定制的環(huán)境作約束，以CATIA三維建模技術(shù)為基礎，通過干涉檢查、裝配仿真等手段保證管路系統(tǒng)的設計質(zhì)量，最終實現(xiàn)飛機管路系統(tǒng)數(shù)字化設計，滿足現(xiàn)代飛機全機數(shù)字化設計研制的要求。

3 管路數(shù)字化設計的技術(shù)方法

管路的數(shù)字化設計不僅便于電子樣機中成附件、結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)導管之間的協(xié)調(diào)，也為制造部門進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)控彎管成形提供可靠的、最優(yōu)的數(shù)據(jù)源。因此在設計前既要照顧到行業(yè)標準、企業(yè)規(guī)范以及管路設計原則的執(zhí)行，還需要考慮到工藝制造資源的要求，比如數(shù)控彎管機彎曲模彎曲半徑的種類，優(yōu)先設計數(shù)控彎管機能夠彎制的管路。因此，數(shù)字化設計工作要圍繞如下幾方面展開。

1）飛機管路系統(tǒng)導管規(guī)格各異，管路設計過程中如何保證設計的管路數(shù)據(jù)符合現(xiàn)有企業(yè)標準、規(guī)范和需求；

2）從制造角度考慮，如何保證下游工藝部門從管路數(shù)模中提取到最合理的數(shù)據(jù)，保證導管的可制造性和可利用率；

3）從并行設計方面，如何保持這些復雜的導管零件能夠快速接收到上游數(shù)據(jù)更改通知并能夠在保證不受影響的零件無變化的基礎上自動更新；

4）如何保證管路系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)之間、管路系統(tǒng)與管路系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)內(nèi)部不發(fā)生干涉并滿足間隙的要求；

5）如何驗證發(fā)放給下游的導管零件設計的合理性，并保證裝配的可達性以及可維護性。

3.1 管路數(shù)字化設計環(huán)境定制

在飛機管路系統(tǒng)設計過程中，規(guī)則和標準的輔助決策功能保證了管路設計結(jié)果的工程合理性。

CATIA管路設計模塊作為一個通用模塊，沒有遵循管路零件建模的行業(yè)標準也沒有一定的企業(yè)標準做約束。因此設計時無法調(diào)用國內(nèi)企業(yè)相關(guān)標準的管路標準件，導管公稱直徑、轉(zhuǎn)彎半徑、導管端頭形式以及材料等屬性也無法滿足國內(nèi)企業(yè)的設計要求。因而管路數(shù)字化環(huán)境客戶化定制已成為管路數(shù)字化設計工作展開的前提。

CATIA管路模塊中的受控參數(shù)文件信息存放在后綴為catalog的標準和規(guī)則庫文件中，不同的庫文件存放著不同的屬性信息，如管路的彎曲半徑、公稱直徑、端口形式、壁厚及材料類別等見圖1。每一類屬性信息都關(guān)聯(lián)了不同參數(shù)信息的txt文本文件。比如定制管路的彎曲半徑，參照飛機管路設計要求并結(jié)合數(shù)控彎管機現(xiàn)有彎曲模彎曲半徑，修改TubingSpecificationsMM.catalog文件中控制彎曲半徑的腳本文件，實現(xiàn)不同參數(shù)的控制見圖2。

圖1 庫文件

圖2 轉(zhuǎn)彎半徑控制窗口

3.2 導管實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換的技術(shù)途徑

導管進行三維建模時，應優(yōu)先考慮到導管零件制造和管路工藝的實施。導管零件制造工藝要求是基于導管制造資源的限制，為了保證導管的可加工性和導管加工質(zhì)量而提出的，這些參數(shù)主要包括導管直線段長度、彎曲半徑、導管彎曲數(shù)量等。

導管的建模方式很多，需要進行規(guī)范化建模，才能為下游工藝部門提供合理、有效的數(shù)據(jù)源。數(shù)控彎管機只能加工直線和圓弧組成的導管，規(guī)定的導管坐標有3個，分別為X、Y、Z，分別代表導管的直線段長度、平面轉(zhuǎn)角即彎曲角度以及空間轉(zhuǎn)角見表1。傳統(tǒng)的建模方式無法提取到這些數(shù)據(jù)信息，已經(jīng)完全不符合工藝制造的要求。

表1 數(shù)控彎管數(shù)據(jù)

按照企業(yè)標準規(guī)范需求進行客戶化定制后的CATIA管路設計模塊符合制造部門的要求。在導管零件建模過程中，定義了導管的公稱直徑、彎曲半徑、直線段長度以及空間坐標等信息見圖3，這些信息可以直接以報表的形式從CATIA中導出，符合數(shù)控彎管機所需要的條件，從技術(shù)上滿足了目前傳統(tǒng)的模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)變的需求。

圖3 導管三維建模界面

3.3 關(guān)聯(lián)設計思想在數(shù)字化設計中的應用

飛機設計過程是一個不斷更改和迭代的過程，上游設計的更改往往會引起下游設計的更改。傳統(tǒng)的管路設計過程中，由于設計操作都在本地進行，這種上下游設計的影響關(guān)系往往通過間接的方式進行傳遞，如通過協(xié)調(diào)單告知，通過共享數(shù)據(jù)模型，或者用電話進行溝通和協(xié)調(diào)；在更改的過程中，通過元素的替換等方法實現(xiàn)。有時結(jié)構(gòu)件有了相當?shù)母膭?，可能導致管路設計的零件完全無法使用。這種工作方式導致了設計更改的信息不能及時傳遞到下游，人工控制更改操作麻煩，且容易發(fā)生數(shù)據(jù)版本的不一致性。

在飛機數(shù)字化協(xié)同設計大環(huán)境的引導下，管路系統(tǒng)采用了基于骨架模型的關(guān)聯(lián)設計方法。在構(gòu)型管理和工程更改控制下，統(tǒng)一管理飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，共享一個骨架模型，實現(xiàn)管路系統(tǒng)不同專業(yè)設計員之間的協(xié)同設計，結(jié)構(gòu)零件的更新會通過骨架模型的傳遞帶動當前管路設計中加載的數(shù)模進行更新，可以隨時了解自己與其他系統(tǒng)之間是否存在干涉現(xiàn)象，及時修改管路的排布。

管路系統(tǒng)采用骨架模型的關(guān)聯(lián)設計流程如下：

骨架模型采用樹形結(jié)構(gòu)，總體部門和結(jié)構(gòu)部門按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組織發(fā)布成附件、設備及管路安裝定位基準，如定位點和定位軸線等。

系統(tǒng)部門負責人參照上游發(fā)出的數(shù)據(jù)，直接復制上游發(fā)布的元素，復制連接結(jié)果 （paste result with link）到管路骨架中，創(chuàng)建各分系統(tǒng)的骨架模型，建立管路與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。系統(tǒng)部門管路設計人員參照各分系統(tǒng)的管路骨架模型，安裝成附件、設備及支架，依據(jù)設備及支架進行管線鋪設見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)與管路的關(guān)聯(lián)設計

3.4 數(shù)字化設計檢查工具的應用

3.4.1 管路系統(tǒng)的干涉檢查與區(qū)域分析

目前導管兩端采用的連接方式是由平管嘴和外套螺母組成的擴口連接方式，根據(jù)要求導管與連接件之間需貼合，管路系統(tǒng)因其功能以及傳送介質(zhì)的不同，與飛機機體各部段要保持間隙也有所不同。通過選擇飛機管路系統(tǒng)或某一功能區(qū)域的數(shù)據(jù)，對管路及其周圍結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)進行干涉檢查和區(qū)域分析，確定發(fā)生干涉區(qū)域并對問題區(qū)域加以注釋，提前暴露問題使得設計更改工作執(zhí)行起來更加方便，因此靜態(tài)干涉檢查與區(qū)域分析審查尤為重要。

1）干涉檢查

利用CATIA的Clash功能，結(jié)合數(shù)字樣機環(huán)境對管路零件、成附件、支架以及設備等管路系統(tǒng)內(nèi)部、管路系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進行干涉、間隙以及貼合信息的檢查，分析產(chǎn)品之間空間距離檢查以及指定一定的余量，分析各個產(chǎn)品在該距離之內(nèi)的干涉情況。

當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在干涉情況或者間隙不滿足設定條件時予以報警，并分別顯示出碰撞、接觸以及間隙低于規(guī)定值的數(shù)量，并標示出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助設計人員查找和分析干涉原因（見圖5）。

2）干涉分析

管路系統(tǒng)設計需避免干涉，干涉主要分以下3種情況：

（1）軟干涉，2個零件沒有接觸，但其最小距離小于預先規(guī)定的間隙范圍；

（2）硬干涉，2個零件重疊在一起發(fā)生相交現(xiàn)象；

（3）包容干涉，1個零件完全包容在另1個零件的內(nèi)部。

在管路系統(tǒng)的所選部件的干涉檢查中，干涉數(shù)目中包含導管與周圍環(huán)境的接觸干涉，此類干涉不可避免，通過結(jié)果欄顯示值可迅速分析裝配的干涉程度，以避免不必要的干涉。

通過這種干涉分析，可以提早發(fā)現(xiàn)問題并進行修正，有效地減少后期因設計錯誤引起的更改，從而提高飛機質(zhì)量，降低成本。

圖5 某液壓系統(tǒng)自身干涉檢查示意圖

3.4.2 區(qū)域分析檢查

在裝配環(huán)境中，為了保證設計的精準度，CATIA的電子樣機空間分析模塊進行距離計算、自定義區(qū)域分析以及實時剖切檢查，測量兩個零件之間的最小距離或者計算并顯示兩個零件給定的區(qū)域之間的部分，比如檢測管路的可拆卸性，工具焊接、扳手擰緊等操作維修工具的可達性等等（見圖6）。

圖6 導管與設備距離檢查示意圖

3.4.3 干涉檢查工作開展方式

干涉檢查建議按照專業(yè)室內(nèi) (即管路系統(tǒng)內(nèi)部)檢查——專業(yè)室間(即管路系統(tǒng)與周圍結(jié)構(gòu)等)分級展開檢查。專業(yè)室內(nèi)各負責人按照職責檢查自己所設計范圍內(nèi)即系統(tǒng)內(nèi)部的管路設計干涉情況。

專業(yè)室檢查，考慮到管路的分布廣以及硬件設備性能的因素，建議干涉檢查和分析時，可以打破專業(yè)和系統(tǒng)的界限，按區(qū)段進行干涉檢查，檢查系統(tǒng)間以及系統(tǒng)與周圍結(jié)構(gòu)的干涉情況（見圖7），提高干涉檢查的效率和質(zhì)量，以避免因空間不足導致導管無法安裝?？蓪z查結(jié)果中確實需要更改的問題以標注的方式，圈出干涉部位，并輔以文字描述。

圖7 某液壓系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)等區(qū)域檢查示意圖

3.5 數(shù)字化設計裝配仿真技術(shù)的應用

導管安裝部位空間有限，導管布置錯綜復雜。部分導管需要穿過多層結(jié)構(gòu)，裝配過程復雜，在飛機管路設計過程早期需要使用飛機結(jié)構(gòu)、管路、成品附件三維模型進行導管裝配過程的三維動態(tài)仿真，通過模擬裝配仿真和干涉分析等動態(tài)仿真分析進行多次協(xié)調(diào)，以優(yōu)化和完善管路的設計過程。

利用管路系統(tǒng)資源在CATIA的DMU裝配仿真環(huán)境，定義、模擬和分析管路系統(tǒng)的裝配過程和拆卸過程，通過這種真實地模擬飛機管路系統(tǒng)的裝配過程，檢驗導管是否有安裝通路，明確空間是否滿足裝配要求。也驗證了管路維護操作的可行性（安裝、拆卸）及管路設計的合理性。通過導管的運動軌跡驗證導管安裝操作中人或工具的可達性。在數(shù)據(jù)發(fā)放前發(fā)現(xiàn)并解決管路設計以及后期實際裝配過程中的問題，從而實現(xiàn)管路系統(tǒng)的優(yōu)化設計和變更，避免后期因設計原因產(chǎn)生的更改。有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品研制風險、縮短裝配周期、降低研制成本。

4 應用效果

目前，這種飛機管路系統(tǒng)數(shù)字化設計技術(shù)已經(jīng)在某型教練機中得到了廣泛的應用。在某型教練機以及后續(xù)改進機型的研制中，采用了三維數(shù)字化設計技術(shù)進行飛機管路系統(tǒng)的設計、工藝設計和生產(chǎn)制造，并完成了樣機協(xié)調(diào)。

某教練機以及后續(xù)機型應用三維數(shù)字化設計技術(shù)完成飛機管路系統(tǒng)的設計，不僅實現(xiàn)了飛機全機電子樣機的數(shù)字化設計，而且通過使用三維數(shù)字模型代替實物模型，實現(xiàn)了設計數(shù)模與工藝數(shù)模一體化。提高了飛機管路系統(tǒng)設計的效率，縮短了飛機研制周期。與傳統(tǒng)設計方式相比，飛機全機管路系統(tǒng)的數(shù)字化設計得到了全新的變革。

5 結(jié)論與展望

某教練機管路系統(tǒng)采用了數(shù)字化設計方法，提高了設計效率，縮短管路系統(tǒng)設計周期，實現(xiàn)了某教練機的全機電子樣機的全三維數(shù)字化設計。

但是由于設計方面導管安裝接口以及其它連接件如成附件、固定支架等零件建模時存在誤差，制造方面由于制造、裝配時產(chǎn)生的誤差，再加上部分設備與周圍結(jié)構(gòu)之間的間隙不足等因素，導致按三維數(shù)模生產(chǎn)的部分導管在實際裝配中存在問題，這就使飛機導管制造仍不能徹底放棄取樣這一傳統(tǒng)方式。因此，要全面提高導管的利用率，實現(xiàn)真正意義的數(shù)字化設計與制造可能還需要很長的摸索過程。采用全機導管數(shù)字化設計是現(xiàn)代飛機完成全機數(shù)字化設計技術(shù)的發(fā)展方向，如何提高導管的可利用率，真正實現(xiàn)導管設計與制造的一體化是我們今后研究和探索的目標。

[1]李振強等.導管三維快速建模及模型預處理技術(shù)研究.制造業(yè)自動化，2007,29(3).

[2]毛燕等.數(shù)字化制造技術(shù)在ARJ21飛機導管研制中的應用.鍛壓技術(shù),2008,33(4).

[3]李光俊.飛機導管數(shù)字化快速敏捷制造技術(shù).中國制造業(yè)信息化,2009(5).