中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院 王乾平

先進設(shè)計手段是融合最新科技成果，適應(yīng)當(dāng)今社會需求變化，在設(shè)計過程中所應(yīng)用的高水平的各種技術(shù)方法和手段的總和。

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用、信息化與工業(yè)化的深度融合，深刻影響著設(shè)計生產(chǎn)過程，同時也改變了設(shè)計環(huán)境，促進了先進設(shè)計手段的發(fā)展。大飛機是先進設(shè)計制造技術(shù)的集中體現(xiàn)，反映著時代的進步。隨著數(shù)字化、自動化、精確化設(shè)計制造技術(shù)在大飛機中的應(yīng)用和實踐，以立足國內(nèi)、自主設(shè)計、自主創(chuàng)造為宗旨的中國大飛機設(shè)計制造技術(shù)也在經(jīng)歷著不斷的突破和進步。

MBD技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機設(shè)計依據(jù)二維圖紙、技術(shù)條件等技術(shù)文件,通過專業(yè)的繪圖反映產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)及制造要求，實現(xiàn)設(shè)計與制造的信息共享和傳遞。20世紀(jì)末，隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD已從單一的繪圖功能發(fā)展到應(yīng)用數(shù)字化手段進行三維產(chǎn)品設(shè)計，并且在虛擬環(huán)境下進行數(shù)字化三維設(shè)計和裝配過程仿真，對產(chǎn)品的定義進行形象化表達，極大地提高了工作效率。

但由于設(shè)計、制造工程師缺乏對數(shù)字化產(chǎn)品非形狀信息定義的統(tǒng)一形式化方法，使得傳統(tǒng)的二維圖紙仍然沒有退出歷史舞臺，即便是數(shù)控機加零件，也需要將三維數(shù)模轉(zhuǎn)化成二維圖紙，以便將僅靠形狀無法表達的非形狀信息遵循傳統(tǒng)的制圖標(biāo)準(zhǔn)在二維圖上示出。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義以二維和三維形式來共同表述，下游用戶（如應(yīng)力分析、工藝、工裝、工人、檢驗、客服等）在工作之前要花大量的精力和時間認(rèn)真閱讀三維數(shù)模和二維圖樣。特別是對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零組件，有時會存在二維與三維不一致的問題，甚至有時個別零組件用二維圖紙和文字都難以清楚描述，下游用戶不得不求助于設(shè)計人員去解釋。假若按照錯誤的理解去執(zhí)行，會造成費用和時間的巨大浪費，不能充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)在設(shè)計制造中的優(yōu)勢。

MBD（Model Based Definition）技術(shù)的應(yīng)用是對傳統(tǒng)飛機研制模式的一次變革，美國波音公司于2004年在787飛機研制中首先使用該技術(shù)。我國在大飛機設(shè)計中應(yīng)用了MBD技術(shù)，它是基于三維模型的產(chǎn)品數(shù)字化定義，也就是常說的三維標(biāo)注模型，將傳統(tǒng)二維圖紙上的信息在三維立體數(shù)模中表述，集成了三維空間尺寸、公差標(biāo)注和制造要求標(biāo)注在內(nèi)的非幾何特征信息, 把設(shè)計的所有信息以三維模型的形式定義，在沒有二維工程圖紙的情況下,實現(xiàn)對產(chǎn)品特征的描述[1]。在大飛機研制中，跟蹤研究MBD技術(shù)及其實施方法，建立了相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，新建了技術(shù)注釋庫，改造了標(biāo)準(zhǔn)件庫、材料庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了針對各專業(yè)設(shè)計的一系列支持工具，建立了MBD模型規(guī)范化檢查手段，確定了MBD的技術(shù)方案，并在型號研制中全面應(yīng)用，建立了基于MBD的全三維數(shù)字樣機。設(shè)計工程師能夠全面、清楚地表達設(shè)計意圖，實現(xiàn)對產(chǎn)品特征描述；制造工程師能夠在脫離了二維工程圖紙的情況下,直觀、形象、準(zhǔn)確地理解執(zhí)行設(shè)計意圖；并且所有的產(chǎn)品定義以信息量的形式傳遞，實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的分類管理。

大飛機確定以MBD模型作為制造的唯一依據(jù)，設(shè)計只發(fā)放三維MBD模型，不再發(fā)放二維工程圖，有關(guān)設(shè)計、制造、檢驗等信息在MBD模型中表達。設(shè)計、制造、檢驗都依據(jù)統(tǒng)一的MBD模型實現(xiàn)信息共享和傳遞，結(jié)束了多年來以二維工程圖為制造主要依據(jù)的歷史，在無紙化的情況下提高上、下游的交互式程度。制造依據(jù)的轉(zhuǎn)變對現(xiàn)有的制造技術(shù)體系帶來重大的沖擊與挑戰(zhàn)，要求工藝設(shè)計、檢驗規(guī)劃設(shè)計和制造方式及技術(shù)進行適應(yīng)性的改造, 促使制造技術(shù)體系發(fā)生歷史性變革，實現(xiàn)了基于MBD的設(shè)計制造一體化，標(biāo)志著中國航空制造業(yè)已開始跨入全三維設(shè)計制造新時代，具有里程碑的意義。

關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)

傳統(tǒng)的飛機設(shè)計過程首先由總體外形和布置專業(yè)給出外形和布置數(shù)模作為結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計輸入，結(jié)構(gòu)專業(yè)據(jù)此開展結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)專業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中參照結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行管線和設(shè)備的布置、系統(tǒng)設(shè)計等工作。上游設(shè)計的更改往往會引起下游設(shè)計的更改，特別是在初步設(shè)計階段，更改迭代頻繁，且這種影響關(guān)系通常以間接方式傳遞，比如協(xié)調(diào)文件、共享數(shù)?；蚩陬^告知等，并在更改實施中通過元素替換等方式實現(xiàn)。其缺點是多專業(yè)并行設(shè)計更改不能及時傳遞，更改操作麻煩，且易發(fā)生更改數(shù)據(jù)不一致問題。

關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)是解決多專業(yè)并行設(shè)計非常有效的手段，在波音787飛機研制中，被列為10大創(chuàng)新技術(shù)體系之一。它是在三維設(shè)計過程中，通過參數(shù)化設(shè)計技術(shù)建立模型之間的相互依賴關(guān)系，通過上游設(shè)計的幾何特征（如點、線、面、坐標(biāo)系等）作為驅(qū)動參數(shù)，建立模型與模型之間的驅(qū)動關(guān)系，同時配套以支持關(guān)聯(lián)設(shè)計的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)上下游設(shè)計間的關(guān)聯(lián)[2]。關(guān)聯(lián)設(shè)計的核心是基于模塊劃分的理論模型（也稱骨架模型）和接口體系定義，接口就是下游設(shè)計參考上游設(shè)計的幾何元素，把決定設(shè)計對象的具有聯(lián)系的接口的集合稱為設(shè)計對象的骨架，對應(yīng)的數(shù)模稱為骨架模型。關(guān)聯(lián)設(shè)計以骨架模型和接口描述飛機全機數(shù)字樣機的各級設(shè)計輸入，同時對接口和骨架模型的命名、接口、引用方式等進行規(guī)范，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行合理的劃分，形成產(chǎn)品骨架模型的合理層次關(guān)系；采用在線設(shè)計技術(shù)，在管理系統(tǒng)控制之下建立總體、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等專業(yè)設(shè)計的MBD模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成完整的關(guān)聯(lián)設(shè)計體系。關(guān)聯(lián)設(shè)計通過多專業(yè)模型之間幾何元素的發(fā)布和引用關(guān)系，實現(xiàn)飛機研制中上、下游專業(yè)設(shè)計輸入與設(shè)計輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系，由此實現(xiàn)上游設(shè)計發(fā)生變化時，下游的設(shè)計可以自動更新。

在大飛機設(shè)計中，借助數(shù)字化技術(shù)，通過骨架模型建立、控制和傳遞這種影響關(guān)系，實現(xiàn)上下游設(shè)計信息的快速傳遞與更改驅(qū)動，實現(xiàn)了各專業(yè)的自動化關(guān)聯(lián)設(shè)計，保證了結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置設(shè)計數(shù)據(jù)的唯一性和一致性。骨架模型的幾何元素與共享機制對數(shù)據(jù)共享和自頂向下的設(shè)計模式提供了強有力的技術(shù)支撐，也有效支持了飛機結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)從總體布置到零件設(shè)計、裝配設(shè)計采用“自頂向下”的設(shè)計方式，大大提高了協(xié)同設(shè)計的效率和質(zhì)量，見圖1 。

該技術(shù)使得上下游專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)性、一致性得到保證，關(guān)聯(lián)模型的更改信息得到自動傳遞，并在拓?fù)潢P(guān)系不改變情況下實現(xiàn)零部件模型的自動更改，成為驅(qū)動多專業(yè)并行設(shè)計、實現(xiàn)快速設(shè)計迭代和工程更改的重要技術(shù)手段。它的采用使工程設(shè)計過程中的協(xié)調(diào)與迭代時間大大減少，提高了協(xié)調(diào)效率，使得多專業(yè)飛機設(shè)計迭代效率提高70%以上[3]，縮短了設(shè)計周期。

虛擬設(shè)計技術(shù)

虛擬設(shè)計技術(shù)以數(shù)字化虛擬仿真環(huán)境和數(shù)字化仿真平臺為代表，在大飛機研制中取得了重要成果和應(yīng)用。目前，航空各主機廠、所基本在虛擬仿真環(huán)境下，通過數(shù)字樣機使裝配設(shè)計人員在可視化的虛擬環(huán)境下交互協(xié)同地對產(chǎn)品進行協(xié)調(diào)、檢查及維修性、保障性、安全性等分析。這樣在設(shè)計初期就可對產(chǎn)品所需功能/性能進行可視化的仿真及演示，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題，從而及時加以改進，使傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的設(shè)計轉(zhuǎn)為基于知識和仿真的設(shè)計，替代了過去飛機研制采用的實物樣機。

圖1 多專業(yè)關(guān)聯(lián)設(shè)計示意圖

同時，各主機院所開發(fā)和應(yīng)用了多專業(yè)相對獨立的仿真平臺，如在飛機方案階段應(yīng)用總體協(xié)同仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)計專業(yè)、工具、資源庫的集成，滿足了總體方案設(shè)計探索、反復(fù)迭代、多輪逼近、綜合協(xié)調(diào)、多解尋優(yōu)和逐步深化的要求，提高了總體方案設(shè)計效率；為提高強度分析效率建立了飛機強度分析自動化平臺，通過強度設(shè)計流程化、計算方法標(biāo)準(zhǔn)化、強度報告自動化及其有限元模型與計算模型關(guān)聯(lián)驅(qū)動， 實現(xiàn)了全機各部位強度計算和多輪次強度設(shè)計自動優(yōu)化、迭代，同時也提高了強度計算精度；通過結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計平臺，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析流程化、規(guī)范化，并對飛機重量控制也起到了促進作用；此外，還建立了綜合生命保障數(shù)字化仿真系統(tǒng)、飛機通用機電數(shù)字化仿真試驗系統(tǒng)和飛機起落架數(shù)字化仿真試驗系統(tǒng)等多種仿真環(huán)境。

隨著飛機數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，下一步的目標(biāo)是將數(shù)字化設(shè)計、仿真分析與知識工程有機地結(jié)合起來，建立一個可實施柔性定制飛機設(shè)計流程、集成多專業(yè)分析軟件和管理飛機全生命周期分析仿真數(shù)據(jù)的、開放的、可擴展的飛機研制數(shù)字化仿真平臺，實現(xiàn)從數(shù)字樣機到性能樣機的飛躍。

快速建模技術(shù)

大飛機設(shè)計過程中，采用了大量整體結(jié)構(gòu)。設(shè)計人員在有限的設(shè)計周期內(nèi)，不僅要做好零件的參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化工作，還必須承擔(dān)繁瑣的三維建模任務(wù)。零部件的三維數(shù)模是直接體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的表征體，建模工作占用了設(shè)計周期內(nèi)的大部分時間，這勢必導(dǎo)致零件參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化時間縮短，影響設(shè)計的質(zhì)量。為了解決人力資源與設(shè)計工作量及設(shè)計周期之間的矛盾，提高效率、減少反復(fù)，構(gòu)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)數(shù)模，應(yīng)用了整體構(gòu)件的快速建模技術(shù)。

以機翼的翼梁、翼肋與壁板這些主承力構(gòu)件為例，尤其是翼肋，數(shù)量眾多，設(shè)計過程繁雜。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在建立翼肋三維實體模型時，針對不同肋位，需要面臨大量的相同特征的重復(fù)性建模工作。然而，對于整體翼肋而言，其在一定范圍內(nèi)單一零件具有系列化的設(shè)計特征，一般包括上下剪切角片、上下緣條、腹板、支柱、長桁缺口等基本特征；在不同肋位處，各翼肋的基本設(shè)計特征和建模流程也大致相同。此外，在建立翼肋三維幾何模型的過程中，會產(chǎn)生大量的設(shè)計和引用元素，這些過程和特征元素交錯分布，為了在后期數(shù)模更改和參數(shù)調(diào)整時能夠迅速定位，找到相關(guān)的特征，需要將這些元素和特征進行規(guī)范化命名。過去，這個過程的工作和命名均完全依賴個人操作習(xí)慣，導(dǎo)致建模過程的層次不夠清晰、命名不夠規(guī)范，為后期的參數(shù)修改和校對帶來不便，影響工作效率。

通過分析各設(shè)計特征之間的幾何與拓?fù)潢P(guān)系，固化各設(shè)計特征的建模流程，將肋的典型特征進行分解并命名為剪切角片、緣條、腹板、支柱、支柱加強筋、長桁缺口等，在分析各特征的邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上，采用“由外向內(nèi)”的建模流程，進行特征分解及生成。在此基礎(chǔ)上，對建模過程中涉及的過程和引用元素、建模操作等進行規(guī)范化命名，并對翼肋建模過程中使用的CATIA各功能模塊和操作進行解析，分析各類操作（如平面生成、曲面偏移、厚曲面、實體分割等）的關(guān)鍵控制參數(shù)，使用VB語言對CATIA進行二次開發(fā)，設(shè)計各步操作的功能模塊，編程實現(xiàn)快速建模軟件工具的開發(fā)，見圖2、圖3。

它以機翼布置骨架模型為設(shè)計輸入，在CATIA環(huán)境下調(diào)用外部翼肋參數(shù)文件，快速建立翼肋的三維幾何模型，并可以根據(jù)用戶需要，協(xié)調(diào)開孔，生成補強區(qū)域。

此外，通過對CATIA軟件進行二次開發(fā)，還實現(xiàn)了壁板、梁、框等整體主承力構(gòu)件的快速化、規(guī)范化、自動化三維建模。

通過建立結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計環(huán)境，開發(fā)了快速建模軟件工具，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與幾何建?？焖俚С至私Y(jié)構(gòu)快速設(shè)計優(yōu)化及建模，減少了結(jié)構(gòu)設(shè)計大循環(huán)周期，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計周期縮短40%以上。

基于CATIA的二次開發(fā)工具包

圖2 翼肋快速建模軟件操作界面

圖3 翼肋快速建模結(jié)果

在傳統(tǒng)的設(shè)計模式下，設(shè)計員將大量的精力放在二維圖紙的繪制中，采用全數(shù)字化的MBD模型后，增加了非幾何信息標(biāo)識的產(chǎn)品模型成為唯一數(shù)據(jù)源，可以最大限度發(fā)揮計算機智能化、數(shù)字化批處理的優(yōu)勢。為了提高工作效率，減少人工輸入產(chǎn)生的錯誤，開發(fā)了豐富的MBD支撐工具。通過CATIA軟件的二次開發(fā)，建立各種類型的智能模版和特征庫并進行參數(shù)化，用于輔助設(shè)計員快速完成產(chǎn)品定義，比如全三維設(shè)計模板創(chuàng)建工具，將零件分為機加、鈑金、復(fù)材、裝配等類型，根據(jù)類型特點實現(xiàn)自動創(chuàng)建CATIA模型特征樹節(jié)點，并添加相應(yīng)通用的非幾何信息，設(shè)計師可根據(jù)具體情況增減或修訂相關(guān)內(nèi)容。另外，還開發(fā)了通用附注填寫工具、標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)計工具、三維連接定義工具、MBD模型檢查工具、屬性提取工具、EBOM自動生成工具、查找替換工具、重量重心測量工具、全三維設(shè)計數(shù)模數(shù)字簽名工具、工程更改文件自動生成工具等。這些工具的開發(fā)應(yīng)用，都通過MBD相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計流程、確定表達方式、給出操作方法，既規(guī)范了設(shè)計方法，又提高了工作的效率，使設(shè)計人員從繁重的勞動中解放出來，把更多的精力放在設(shè)計中，有效提高了飛機產(chǎn)品研制的效率和質(zhì)量。

結(jié)束語

在大飛機研制中，應(yīng)用MBD技術(shù)帶來了飛機研制方法和模式的變革；基于模塊的關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)提高了多專業(yè)的設(shè)計并行能力；虛擬設(shè)計技術(shù)、快速建模技術(shù)和基于CATIA的二次開發(fā)工具包的應(yīng)用，提高了設(shè)計的效率和質(zhì)量。這些數(shù)字化技術(shù)促進了飛機研制模式的變革和流程不斷優(yōu)化，使信息化管理水平不斷提升。展望未來，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化會進一步影響和改變設(shè)計手段，先進的技術(shù)手段會減少重復(fù)勞動，提供方便。隨著設(shè)計制造一體化趨勢的發(fā)展和以增材制造技術(shù)為代表的顛覆傳統(tǒng)制造理念的技術(shù)發(fā)展，設(shè)計創(chuàng)新的空間將會被充分釋放。

[1] 王乾平.MBD技術(shù)在飛機產(chǎn)品中的應(yīng)用研究.飛機工程，2009(4)：1-3，16.

[2] 劉俊堂.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)：45-47.

[3] 王乾平，范林，吳旭輝.異地聯(lián)合研制模式下的基于全三維數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新飛機研制體系研究.上海：2014亞太航空航天學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國航空學(xué)會，2014.