唐家鵬　席　平　張德宇

1.中北大學, 太原，030051　　2.北京航空航天大學，北京，1001913.沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽，110035

飛機翼面結(jié)構(gòu)自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計

唐家鵬1席平2張德宇3

1.中北大學, 太原，0300512.北京航空航天大學，北京，1001913.沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽，110035

介紹了面向關(guān)聯(lián)設(shè)計的飛機翼面結(jié)構(gòu)多層級骨架模型，實現(xiàn)了設(shè)計意圖自頂向下的傳遞；為進行骨架模型與下游零件間的關(guān)聯(lián)的控制和管理，采用了新的元素發(fā)布方式，并開發(fā)了元素發(fā)布管理工具，提高了設(shè)計的效率和質(zhì)量；結(jié)合自頂向下的建模思想和關(guān)聯(lián)設(shè)計自動更新的特點，提出了基于骨架模型的飛機翼面結(jié)構(gòu)自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計方法，通過選擇飛機翼面結(jié)構(gòu)骨架模型的設(shè)計基準和上下翼面約束曲面，輸出的結(jié)構(gòu)件以絕對坐標系裝配在父部件下，無需進行再次裝配，并基于骨架模型與結(jié)構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對飛機翼面結(jié)構(gòu)件的實時自動更新和快速重建。最后，以機翼盒段翼肋為例驗證了方法的可行性和有效性。

飛機翼面結(jié)構(gòu)；自頂向下；關(guān)聯(lián)設(shè)計；骨架模型；元素發(fā)布

0　引言

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的概念和初步設(shè)計階段，多專業(yè)、多學科人員參與協(xié)同，他們從自身專業(yè)考慮設(shè)計問題以及評估設(shè)計方案，為實現(xiàn)一個多方普遍滿意的結(jié)果，需要進行反復的討論和更改[1]。

與其他機械產(chǎn)品相比，飛機結(jié)構(gòu)是一個極其復雜的系統(tǒng)，雖然零件種類較少，但零件之間高度關(guān)聯(lián)，彼此相互影響，設(shè)計過程中變型和更改頻繁[2]。在現(xiàn)有的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，往往由于飛機結(jié)構(gòu)零部件模型間沒有建立有效的關(guān)聯(lián)，設(shè)計人員無法識別相互之間的變更，上下游零件之間的影響關(guān)系一般是通過發(fā)協(xié)調(diào)單或打電話等人工通知的方式進行傳遞，在變更的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員大多通過元素替換、手動修改關(guān)聯(lián)零件等交互手段來實現(xiàn)。這種設(shè)計方式存在很多不足：①由于飛機結(jié)構(gòu)的復雜性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的經(jīng)驗限制，無法有效通知下游更改；②通知過程為人工協(xié)調(diào)方式，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計變更往往不能及時傳遞到下游零件；③人工進行變更操作繁瑣，更新緩慢，并且容易產(chǎn)生上下游零件數(shù)據(jù)不一致的情形。

為解決上述問題，本文結(jié)合自頂向下的建模思想和關(guān)聯(lián)設(shè)計自動更新的特點，提出了基于骨架模型的自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計方法。不同于傳統(tǒng)的通過零件間的約束來實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配的模式，自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計通過骨架模型及其驅(qū)動模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性使得裝配位置和精度得到嚴格的保證，當骨架模型發(fā)生變更和修改，相關(guān)組件、零件及總體裝配快速自動更新。

1　產(chǎn)品設(shè)計模式

產(chǎn)品設(shè)計包括了自底向上和自頂向下兩種模式。自底向上的產(chǎn)品建模過程首先生成最基本零件[3]，然后基于零件之間的貼合、定位或者對齊等方式生成組件。自底向上的零件-組件-產(chǎn)品(product)的構(gòu)建，這種設(shè)計方法思路簡單，建模過程直觀，容易理解和接受，但由于裝配前缺乏整體的裝配信息，零件間參數(shù)不匹配而無法裝配的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，難以支持產(chǎn)品的并行設(shè)計。

自頂向下的建模方式，把產(chǎn)品看成一個多層次結(jié)構(gòu)，處于裝配最底層的是零件，處于最頂層的是產(chǎn)品[4]。這種方式在設(shè)計的初期就考慮了裝配體中零件之間的關(guān)聯(lián)、約束和定位關(guān)系，生成產(chǎn)品的布局體系。產(chǎn)品部件、零件中繼承了上層布局信息，以這些布局信息作為設(shè)計基準，使產(chǎn)品中各零部件在整個設(shè)計過程中，始終擁有設(shè)計意圖所規(guī)定的信息。

自頂向下設(shè)計在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計之后，再實現(xiàn)組件及單個零件的詳細設(shè)計。通常在概念設(shè)計階段不用考慮過于仔細，詳細設(shè)計便可同時展開，使不同部門間進行產(chǎn)品設(shè)計的協(xié)同及并行設(shè)計實施得以實現(xiàn)。

2　飛機翼面結(jié)構(gòu)骨架模型

2.1翼面結(jié)構(gòu)

飛機部件雖然外形復雜、數(shù)量及種類眾多，但通過分析發(fā)現(xiàn)，飛機部件大致可以分為兩類：翼面結(jié)構(gòu)和非翼面結(jié)構(gòu)。飛機翼面結(jié)構(gòu)包括機翼固定前緣、機翼盒段、機翼固定后緣、平尾盒段、升降舵、垂尾盒段、方向舵、副翼、襟翼、擾流板等部件。這類飛機結(jié)構(gòu)具有相似的特征，歸納起來包括以下幾點：①由若干控制面決定飛機結(jié)構(gòu)的外形；②所有控制面外形均可以通過唯一的名稱來確定控制面數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)定義的形狀則就是翼面的翼型；③所有控制面都與飛機對稱軸平行，或者繞垂直于飛機對稱軸線的某一條直線旋轉(zhuǎn)一定角度后與對稱軸平行。

滿足上述特點的結(jié)構(gòu)均可以定義為飛機翼面結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的共同特點，可以得到適用于所有飛機翼面結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的建模方法。

2.2骨架模型

骨架模型是飛機翼面結(jié)構(gòu)功能要求及設(shè)計意圖的表征，它定義了整個飛機翼面部件的總體框架、零部件的基本空間定位及各零件之間的裝配關(guān)系，但并不涉及零部件的具體尺寸和細節(jié)。在飛機結(jié)構(gòu)完成初步設(shè)計后，能夠得到飛機翼面結(jié)構(gòu)初步的構(gòu)件布置方案，如圖1所示。它是一個具有多層次的裝配級設(shè)計模型，由一些標準的點、線、面等各類基準組成。

(a)機翼盒段骨架模型(b)襟翼骨架模型

(c)擾流板骨架模型(d)平尾盒段骨架模型圖1　飛機翼面結(jié)構(gòu)骨架模型

2.3骨架模型元素發(fā)布

發(fā)布是在進行飛機翼面結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計時為更好地控制所創(chuàng)建的外部參考或外部參數(shù)而進行的操作[5]。如果骨架模型中元素被其他零件引用，則需要通過發(fā)布機制將該元素進行發(fā)布,使其在整個工作域內(nèi)可見。用于發(fā)布的元素包括基準點、基準線及基準面等，也可以是幾何或非幾何參數(shù)(如材料)等。

實現(xiàn)骨架模型與下游零件間的關(guān)聯(lián)的控制和管理時,若直接將首次生成的元素直接發(fā)布，容易造成發(fā)布的元素在處于未激活狀態(tài);其他基準和零件無法使用。因此，對于首次生成的元素，本文采用新的元素發(fā)布方式，即通過“帶鏈接的粘貼”的方式復制到一個單獨的“待發(fā)布元素”幾何圖形集中，歸類后再進行發(fā)布，這樣就可以通過對這些中間元素的“激活/非激活”命令控制編輯過程是否向下游零件傳遞，如圖2所示。該方式適用于骨架模型內(nèi)基準元素的發(fā)布而無法對參數(shù)進行發(fā)布。

圖2　元素發(fā)布

飛機翼面結(jié)構(gòu)骨架模型發(fā)布元素數(shù)量龐大，而且發(fā)布過程重復性工作較多。為實現(xiàn)元素發(fā)布的自動化，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和質(zhì)量，基于VB語言開發(fā)了“元素發(fā)布管理”工具軟件，如圖3所示。

圖3　元素發(fā)布管理工具

通過自定義元素的名稱，避免了發(fā)布名稱的重復操作。工具軟件可以在“待發(fā)布元素”幾何圖形集下自動生成基準點、基準直線、基準曲線、基準平面和基準曲面等幾何圖形集，并能夠自動識別元素的類別，存放于相應的幾何圖形集下。元素拾取功能支持元素的多選，實現(xiàn)所有被拾取元素一次性快速發(fā)布。

3　飛機翼面結(jié)構(gòu)自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計

3.1關(guān)聯(lián)設(shè)計

關(guān)聯(lián)設(shè)計屬于參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，從參數(shù)化設(shè)計技術(shù)本身來講是比較成熟的技術(shù)，目前流行的CAD軟件系統(tǒng)都支持零件的參數(shù)化設(shè)計[6-7]，不同的是，關(guān)聯(lián)設(shè)計把零件的參數(shù)化設(shè)計上升到零件與零件之間的層面,即表現(xiàn)為零件中幾何元素間的驅(qū)動。

關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計過程中，通過參數(shù)化設(shè)計技術(shù)建立零件之間的驅(qū)動關(guān)系，從而實現(xiàn)產(chǎn)品研制中上游設(shè)計輸入對下游設(shè)計輸出之間的影響、控制和約束[8]。

CATIA作為航空企業(yè)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計最常用的建模軟件和工具，CATIA在整個產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力、所有模塊的相關(guān)性和并行的設(shè)計環(huán)境使得它能支持從概念設(shè)計到產(chǎn)品實現(xiàn)的全過程[9]。CATIA V5通過發(fā)布機制、帶鏈接的粘貼、外部引用等功能從一定程度上支持了產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計,保證零件間的鏈接。

3.2面向關(guān)聯(lián)設(shè)計的多層級骨架模型

與產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)一致，飛機結(jié)構(gòu)骨架模型具有多層級的特點，除了頂層主骨架模型(main-skeleton)外，還存在多個子骨架模型(sub-skeleton)，如圖4所示。飛機結(jié)構(gòu)骨架模型類似一個樹狀結(jié)構(gòu)，其中根節(jié)點代表頂層主骨架、枝節(jié)點代表子骨架、葉子節(jié)點代表底層骨架，不同層次的骨架模型或特征要素對應不同層次的設(shè)計信息。

圖4　飛機結(jié)構(gòu)多層級骨架模型

多層級骨架模型定義為：MSK={SKi,i=1,2,…,m}，其中MSK為骨架模型集合，由若干骨架模型組成；SKi為其中的骨架模型，m為骨架模型的個數(shù)。

飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)骨架模型一般包括四級骨架模型：總體骨架模型、接口骨架模型、部件骨架模型和部段骨架模型，如圖5所示。其中，部件骨架是部件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的基準，它引用了頂層總體骨架和接口骨架的基準元素和重要參數(shù)，并驅(qū)動下游裝配體快速接收變更通知并進行自動更新；部段骨架為最底層骨架模型，繼承了上層部件骨架，并引用了部件骨架的基準元素和重要參數(shù)，它是下游零件設(shè)計的基準并驅(qū)動下游零件自動更新。在四級骨架模型中，總體骨架模型、接口骨架模型及部件骨架模型一般用于不同級別的協(xié)調(diào)，只有部段骨架模型直接用于具體零件的設(shè)計。

圖5　飛機結(jié)構(gòu)骨架模型分類

在多層級的飛機翼面結(jié)構(gòu)自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計中，骨架模型存儲了設(shè)計中重要的基準。圖5所示的飛機翼面結(jié)構(gòu)部段骨架模型，引用了上層部件骨架模型中的基準元素和參數(shù)，在飛機翼面結(jié)構(gòu)件建模時，它作為產(chǎn)品或裝配體的第一個零件，是傳遞關(guān)聯(lián)的載體，其他零件通過“帶鏈接的粘貼”的方式從部段骨架模型中復制所需基準元素和參數(shù)進行建模，設(shè)計完成后由部段骨架模型驅(qū)動其他零件。其中設(shè)計信息和數(shù)據(jù)只能從部段骨架模型中傳遞給其他的零件，而零件中的設(shè)計信息和數(shù)據(jù)不能傳遞到部段骨架模型中。

基于骨架模型的自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計方法能夠支持飛機翼面結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計變更更高層次的管理，使設(shè)計變更在整個翼面結(jié)構(gòu)中頂上而下傳遞。如果頂層骨架模型中設(shè)計內(nèi)容發(fā)生變更，則更改會自動傳遞到部件骨架模型，再傳遞到部段骨架模型，然后通過部段骨架模型與各零件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，驅(qū)動所有關(guān)聯(lián)零件自動更新，實現(xiàn)飛機翼面結(jié)構(gòu)上下游零件的信息及影響關(guān)系的有效傳遞。另外，由于零件設(shè)計中，所有關(guān)聯(lián)都指向部段骨架模型一個方向，因此，可以很好地避免設(shè)計中的循環(huán)更新。

3.3自頂向下關(guān)聯(lián)實施過程

在飛機翼面結(jié)構(gòu)件建模時，采用基于骨架模型的自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計方法。在設(shè)計之前，需要對飛機翼面結(jié)構(gòu)的布局、零件布置方式有詳細的了解和認識，然后進行骨架模型的定義和建模，具體實施過程如下：

(1)進行飛機翼面結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃，定義設(shè)計內(nèi)容并建立翼面結(jié)構(gòu)裝配結(jié)構(gòu)樹，首先構(gòu)建第一級裝配結(jié)構(gòu)樹，并分析各部件的功能、組成，然后構(gòu)建結(jié)構(gòu)樹的下一層，以此類推，直至各單個零件。

(2)設(shè)計產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)，建立產(chǎn)品及各級裝配體結(jié)構(gòu)的骨架模型。骨架模型是在裝配結(jié)構(gòu)樹中構(gòu)建的相互關(guān)聯(lián)的特征，這些特征是從飛機翼面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)律中抽象出來的，可依裝配樹的順序?qū)訉酉蛳聜鬟f，也可在不同層次之間傳遞。

(3)基于CATIA的發(fā)布機制，將部段骨架模型中基準點、基準線、基準面及重要參數(shù)進行發(fā)布，飛機翼面結(jié)構(gòu)零件創(chuàng)建中選擇性地引用，這時各零件具備了從骨架模型繼承過來的并受其驅(qū)動的特征。

(4)將骨架模型中的已發(fā)布的幾何元素及參數(shù)通過“帶鏈接的粘貼”的方式復制到飛機翼面結(jié)構(gòu)零件中，然后進行詳細的飛機翼面結(jié)構(gòu)件建模。

4　設(shè)計實例

根據(jù)自頂向下關(guān)聯(lián)實施過程，建立飛機翼面結(jié)構(gòu)部段骨架模型，如圖6a所示，將所有用于機翼盒段結(jié)構(gòu)件建模的元素進行發(fā)布，而其中用于創(chuàng)建翼肋結(jié)構(gòu)件的發(fā)布元素包括上下翼面蒙皮內(nèi)型面、翼肋站位面、翼肋起始和終止站位面、所有穿過該翼肋的長桁站位面及基準線。將這些發(fā)布元素通過“帶鏈接的粘貼”的方式復制到翼肋結(jié)構(gòu)件中，并以這些元素為建?；鶞蔬M行翼肋結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)建，如圖6b所示。

(a)機翼盒段骨架模型(b)機加翼肋圖6　上游骨架模型及翼肋

根據(jù)飛機翼面結(jié)構(gòu)設(shè)計變更流程(圖7)，當上游骨架模型中某個元素發(fā)生變更，如翼肋站位面的位置改變，則下游翼肋結(jié)構(gòu)件會自動變色,表明需要更新，如圖8所示，點擊“更新”后，翼肋結(jié)構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)自動更新，并始終保持翼肋上的長桁缺口與長桁站位面位置的一致以及緣條表面與蒙皮內(nèi)型面的緊密貼合。

圖7　設(shè)計變更流程

圖8　翼肋自動更新

在飛機翼面結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計階段，隨著關(guān)聯(lián)關(guān)系的復雜，數(shù)據(jù)量越來越大，計算機的性能也會變差，在詳細設(shè)計后期，如果翼肋結(jié)構(gòu)件設(shè)計達到一定成熟度，版本已經(jīng)發(fā)布或設(shè)計趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)件的位置以及與其他零部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系已確定，這時設(shè)計變化往往只是結(jié)構(gòu)件內(nèi)部形狀，應該在提交審簽之前斷開結(jié)構(gòu)件與骨架模型間的關(guān)聯(lián)，以減少計算機的負擔，同時避免設(shè)計更改引起不必要的下游結(jié)構(gòu)件的變更。

5　結(jié)論

為實現(xiàn)飛機翼面結(jié)構(gòu)件的實時自動更新和快速設(shè)計，提出了基于骨架模型的自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計方法。該方法通過自頂而下地建立飛機翼面結(jié)構(gòu)骨架模型的整體線框，并將相關(guān)幾何元素關(guān)聯(lián)性復制到組件和零件，通過上下游設(shè)計之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，控制飛機翼面結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其變更，實現(xiàn)飛機翼面結(jié)構(gòu)變型的快速修改。當飛機翼面結(jié)構(gòu)骨架模型設(shè)計發(fā)生變更時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不需進行干預，下游設(shè)計數(shù)據(jù)能夠自動收到提示并實現(xiàn)關(guān)聯(lián)更新，保證了設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性，同時避免了重新設(shè)計或手動修改的繁瑣過程、更新緩慢和可能引起的設(shè)計數(shù)據(jù)混亂等問題，從而使得飛機翼面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程高度并行，大幅加快設(shè)計迭代周期，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計不僅適用于飛機翼面結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計和變型設(shè)計，其通用的建模方法和裝配模式也適用于其他復雜產(chǎn)品。

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(編輯郭偉)

Top-down Associated Design of Aircraft Wing Structure

Tang Jiapeng1Xi Ping2Zhang Deyu3

1.North University of China,Taiyuan,030051 2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing,100191 3.Shenyang Aircraft Design and Research Institute,Shenyang,110035

Multi-level skeleton model of an aircraft wing structure oriented associated design was introduced and a top-down transmission of design intent was achieved. In order to control and manage skeleton model and the downstream parts, a new element publication mode was used and an element publication tool was developed, which improved the efficiency and quality. Combining top-down modeling idea and automatic update feature of associated design, a top-down associated design method of aircraft wing structure was put forward based on skeleton model. By selecting design datum of skeleton model and the upper and lower constraining surface of aircraft wing structure, the output structural part was assembled at the parent component in the absolute coordinate system without the needs for re-assembly. Based on the association between skeleton model and the structural part, real-time automatic update and fast reconstruction of the wing aircraft structural part was achieved. Rib of aircraft wing box was taken as an example to verify the feasibility and effectiveness of this method.

aircraft wing structure; top-down; associated design; skeleton model; element publication

2014-11-15

總裝備部資助項目

V221DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.004

唐家鵬，男，1979年生。中北大學機電工程學院講師。研究方向為飛機結(jié)構(gòu)快速設(shè)計、CAD/CAM。發(fā)表論文8篇。席平，女，1954年生。北京航空航天大學機械工程及自動化學院教授。張德宇，男，1981年生。沈陽飛機設(shè)計研究所工程師。