陳東明， 席 平， 唐家鵬

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)翼盒段快速建模中的應(yīng)用

陳東明， 席 平， 唐家鵬

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

飛機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程日趨全三維化，三維模型的準(zhǔn)確快速創(chuàng)建和維護(hù)成為影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的重要因素。零件快速建模方式只能針對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行快速建模，無法實(shí)現(xiàn)相關(guān)聯(lián)零件的快速修改及自動(dòng)更新。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的提出使得針對(duì)裝配體的快速建模和快速修改成為可能，從而進(jìn)一步提高機(jī)翼設(shè)計(jì)效率。針對(duì)這種現(xiàn)象深入研究關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)及快速建模方法的結(jié)合，給出了結(jié)合關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的機(jī)翼盒段快速建模的具體方法，并開發(fā)機(jī)翼盒段快速建模工具對(duì)裝配體快速建模的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

三維模型；關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)；快速建模；快速修改

隨著基于模型的定義(model based definition, MBD)技術(shù)[1-2]的發(fā)展，飛機(jī)設(shè)計(jì)過程逐步趨于全三維化，三維模型逐漸代替二維圖形成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的唯一數(shù)據(jù)源，因此，三維模型的準(zhǔn)確快速創(chuàng)建在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要。飛機(jī)中部件與部件之間、零件與零件之間往往存在著大量的幾何以及非幾何的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)一個(gè)模型發(fā)生變更時(shí)往往會(huì)引起與之相關(guān)聯(lián)的其他模型的變更，單一模型的參數(shù)化建模無法有效地解決設(shè)計(jì)變更過程中由于關(guān)聯(lián)引起的模型變更。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是一種特殊形式的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其驅(qū)動(dòng)參數(shù)為上游設(shè)計(jì)的幾何特征（如點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等），其表現(xiàn)為上游設(shè)計(jì)對(duì)下游設(shè)計(jì)的影響關(guān)系[3]。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的應(yīng)用使得模型在設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)能夠準(zhǔn)確更新，大大提高了設(shè)計(jì)效率，并縮短了設(shè)計(jì)周期。波音公司將關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)融入到飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)和聯(lián)動(dòng)修改，而且將其延伸到制造過程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與工藝、工裝及檢驗(yàn)的關(guān)聯(lián)，大大縮短了飛機(jī)產(chǎn)品研制的周期。國(guó)內(nèi)很多高校和設(shè)計(jì)院所也在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建立了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)體系，把關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。周紅等[4]根據(jù)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)過程中的變更，提出了自頂向下關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法。

航空領(lǐng)域普遍采用 CATIA軟件進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，CATIA軟件具有一定的通用性，但是缺乏針對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)的專業(yè)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，無法滿足航空單位對(duì)飛機(jī)高質(zhì)、高效設(shè)計(jì)的需求。目前，機(jī)翼三維幾何模型通常由設(shè)計(jì)人員手動(dòng)創(chuàng)建，完全依賴設(shè)計(jì)人員制定建模流程，模型質(zhì)量和創(chuàng)建效率受到設(shè)計(jì)人員水平制約[5]。而且，由于模型系不同設(shè)計(jì)人員獨(dú)立創(chuàng)建，建模往往忽略了模型與其之間相互影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)一個(gè)模型發(fā)生變更時(shí)，只能由設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)判斷哪些模型需要進(jìn)行相應(yīng)的更新修改，修改過程繁瑣且容易造成遺漏，使修改不完全。通過模板參數(shù)化技術(shù)將機(jī)翼盒段零件進(jìn)行合理的參數(shù)化，有效規(guī)范建模過程，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)翼盒段三維模型的快速創(chuàng)建。同時(shí)，分析機(jī)翼中零件之間的相互制約關(guān)系，在建模過程中通過參數(shù)引用和幾何元素引用的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)翼盒段零件之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型變更時(shí)機(jī)翼盒段三維模型準(zhǔn)確完全地更新。

本文工作定位于飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段初期，旨在以定制模板[6]的形式結(jié)合關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建飛機(jī)機(jī)翼盒段三維實(shí)體模型快速建模工具，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼盒段三維實(shí)體模型快速創(chuàng)建，并且保證模型在設(shè)計(jì)變更發(fā)生時(shí)能夠根據(jù)相應(yīng)變更進(jìn)行準(zhǔn)確快速修改更新。

1 機(jī)翼實(shí)體模型分析

機(jī)翼作為飛機(jī)的重要部件之一，其主要作用是為飛機(jī)提供升力并滿足飛機(jī)在各個(gè)飛行狀態(tài)下的性能要求[7]。機(jī)翼承力結(jié)構(gòu)主要由沿展向布置的翼梁、墻、長(zhǎng)桁和沿弦向布置的翼肋組成（由于墻的參數(shù)描述與翼梁相同，本文將墻做特殊的翼梁處理）。提取機(jī)翼結(jié)構(gòu)元件、結(jié)構(gòu)特征并確定相關(guān)參數(shù)并分析機(jī)翼模型間的制約關(guān)系，在建模過程中加以注意是實(shí)現(xiàn)三維模型快速生成和修改的關(guān)鍵。

1.1 骨架模型

骨架模型是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是關(guān)聯(lián)關(guān)系傳播的媒介和載體[6]，因此，要實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)首先應(yīng)該創(chuàng)建適合于機(jī)翼關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的骨架模型[8]。機(jī)翼盒段骨架模型由機(jī)身整體外形分解得到，該骨架模型作為部段設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)零件掛接于部件結(jié)構(gòu)樹的最頂端。骨架模型主要包括機(jī)翼蒙皮曲面和翼梁、翼肋、長(zhǎng)桁等零件的參考信息。為方便下游模型引用參考，骨架模型應(yīng)依據(jù)下游模型種類及需要對(duì)模型中的參考面、參考線等信息進(jìn)行分類管理，如圖1所示為某型號(hào)飛機(jī)機(jī)翼的骨架模型，在骨架模型結(jié)構(gòu)樹下增加翼肋參考、翼梁參考等幾何圖形集，用于組織待發(fā)布的幾何特征并按序發(fā)布。

圖1 機(jī)翼盒段骨架模型

骨架模型的創(chuàng)建過程及使用有4個(gè)原則：①發(fā)布幾何元素時(shí)直接從結(jié)構(gòu)樹上拾取，不能直接在模型中拾取曲面、直線等元素；②當(dāng)已發(fā)布的元素需要更換時(shí)應(yīng)先將替換元素復(fù)制到相應(yīng)的待發(fā)布元素幾何圖形集下，然后發(fā)布并確認(rèn)替換；③發(fā)布窗口不具有排序功能，因此為方便設(shè)計(jì)人員查找發(fā)布元素，骨架模型設(shè)計(jì)人員在發(fā)布元素時(shí)應(yīng)將不同零件的參考元素按序集中發(fā)布；④下游模型只能引用骨架模型中發(fā)布的元素。

1.2 機(jī)翼中的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析及上游參考元素確定

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)要求三維模型零件之間具有完備的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如圖1所示完備的關(guān)聯(lián)關(guān)系能夠保證當(dāng)設(shè)計(jì)變更發(fā)生時(shí)，模型通過關(guān)聯(lián)關(guān)系層層傳播自動(dòng)找到與變更模型相關(guān)聯(lián)的所有模型并進(jìn)行相應(yīng)地更新，設(shè)計(jì)更改簡(jiǎn)單易行，更改傳遞暢通無阻。依據(jù)關(guān)聯(lián)內(nèi)容的不同關(guān)聯(lián)關(guān)系可具體分為：①基準(zhǔn)引用；②參數(shù)關(guān)聯(lián)；③非幾何信息關(guān)聯(lián)[8]。

機(jī)翼三維設(shè)計(jì)模型更新所涉及到的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要有基準(zhǔn)引用和參數(shù)關(guān)聯(lián)兩種，其中基準(zhǔn)引用以外部參考的形式實(shí)現(xiàn)，參數(shù)關(guān)聯(lián)以外部參數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)。基準(zhǔn)引用主要發(fā)生在機(jī)翼骨架模型與機(jī)翼零件之間，零件通過特殊粘貼中的帶鏈接粘貼將參考元素從骨架模型中復(fù)制到該零件下的外部參考幾何圖形集中。設(shè)計(jì)人員在建模過程中依據(jù)參考元素對(duì)零件進(jìn)行定位創(chuàng)建等操作，此建模方式既保持了零件與骨架模型的關(guān)聯(lián)，又省去了先建模后裝配的麻煩。參數(shù)關(guān)聯(lián)主要發(fā)生在機(jī)翼零件與零件之間，機(jī)翼零件可根據(jù)需要引用機(jī)翼中其他零件發(fā)布的參數(shù)元素。

由于零件模型需要通過參考元素進(jìn)行定位，因此，首先應(yīng)確定機(jī)翼各零件的建模參考元素，其次是通過零件間的參數(shù)制約關(guān)系確定各個(gè)零件外部參數(shù)。

(1) 翼梁。翼梁與機(jī)翼翼面貼合，通過對(duì)其建模過程及結(jié)構(gòu)特征分析確定其參考元素，如圖2所示包括機(jī)翼上翼面、機(jī)翼下翼面、翼梁起始面、翼梁終止面以及翼梁站位面。

圖2 翼梁參考元素

(2) 翼肋。機(jī)翼翼肋與機(jī)翼翼面貼合且與長(zhǎng)桁配合，其外形受上下翼面約束且長(zhǎng)桁缺孔特征位置與長(zhǎng)桁位置相關(guān)聯(lián)，因此分析確定翼肋參考元素如圖3所示，包括機(jī)翼上翼面、機(jī)翼下翼面、翼肋起始面、翼肋終止面、翼肋站位面以及長(zhǎng)桁站位面。

圖3 翼肋參考元素

(3) 長(zhǎng)桁。長(zhǎng)桁分為機(jī)翼上側(cè)長(zhǎng)桁和機(jī)翼下側(cè)長(zhǎng)桁，其外側(cè)與機(jī)翼蒙皮貼合內(nèi)側(cè)與翼肋配合沿展向布置于機(jī)翼上下兩側(cè)。上側(cè)長(zhǎng)桁參考元素如圖4所示，包括機(jī)翼上翼面、長(zhǎng)桁起始面、長(zhǎng)桁終止面及長(zhǎng)桁站位面。

圖4 機(jī)翼上側(cè)長(zhǎng)桁參考元素

機(jī)翼下側(cè)長(zhǎng)桁參考元素如圖5所示，包括機(jī)翼下翼面、長(zhǎng)桁起始面、長(zhǎng)桁終止面以及長(zhǎng)桁站位面。

圖5 機(jī)翼下側(cè)長(zhǎng)桁參考元素

1.3 機(jī)翼主要構(gòu)成元件參數(shù)化描述

零件完整的參數(shù)化描述能夠?qū)崿F(xiàn)模型快速準(zhǔn)確創(chuàng)建。分析模型結(jié)構(gòu)，確定適當(dāng)?shù)慕?shù)是模板形式快速建模的重點(diǎn)，合理的參數(shù)化能夠使得模型修改更加方便快捷。

(1) 翼梁。翼梁作為最主要的縱向構(gòu)件，承受部分或全部的彎矩和剪力。翼梁與上下翼面貼合，主要有凸緣和腹板組成，翼梁主要有C字型和工字型等多種截面形式。根據(jù)翼梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建模經(jīng)驗(yàn)可將翼梁參數(shù)確定為：a腹板厚度、b1上緣條寬度、b2下緣條寬度、c1上緣條厚度和c2下緣條厚度。

(2) 翼肋。飛機(jī)設(shè)計(jì)中翼肋分為普通翼肋和加強(qiáng)翼肋兩種。普通翼肋主要起保持蒙皮形狀以及將由蒙皮和桁條傳來的空氣動(dòng)力載荷傳遞給翼梁的作用，加強(qiáng)翼肋承受集中載荷。翼肋同樣具有多種截面形式，根據(jù)翼肋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建模經(jīng)驗(yàn)翼肋的參數(shù)可確定為：a腹板厚度、b1上緣條寬度、b2下緣條寬度、c1上緣條厚度、c2下緣條厚度、長(zhǎng)桁缺口寬度、長(zhǎng)桁缺口深度以及下陷深度。

(3) 長(zhǎng)桁。機(jī)翼中的長(zhǎng)桁是起到支撐蒙皮作用的縱向元件。長(zhǎng)桁表面與蒙皮貼合，其界面形式多種多樣。常見的長(zhǎng)桁截面形式有C型、Z型和工字型等。依據(jù)長(zhǎng)桁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建模經(jīng)驗(yàn)確定長(zhǎng)桁的參數(shù)為：a腹板厚度、b1上緣條寬度、b2下緣條寬度、c1上緣條厚度、c2下緣條厚度。

2 創(chuàng)建參數(shù)化建模模板

在飛機(jī)的設(shè)計(jì)建模過程中，由于設(shè)計(jì)人員水平的不同所建模型方法各異，質(zhì)量參差不齊。模板建?；诜椒ㄖ赜眉夹g(shù)將模型的參數(shù)信息及高水平設(shè)計(jì)人員的建模方法、建模經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員建模經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的高度集成。本文中的機(jī)翼部件參數(shù)化建模模板基于 CATIA平臺(tái)開發(fā)，通過記錄建模過程，以及對(duì)模型進(jìn)行合理參數(shù)化的方式封裝了高質(zhì)量機(jī)翼類零件創(chuàng)建方法及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過改變參數(shù)可以得到不同的幾何模型，在將設(shè)計(jì)過程標(biāo)準(zhǔn)化和參數(shù)化的同時(shí)將建模方法、經(jīng)驗(yàn)集成到機(jī)翼零件中。如圖6所示，機(jī)翼盒段參數(shù)化建模模板包含翼肋建模、翼梁建模和長(zhǎng)桁建模3部分，每部分又包括零件參考元素拾取和參數(shù)設(shè)置兩項(xiàng)內(nèi)容。

建模過程中設(shè)計(jì)人員只需依據(jù)需要從骨架模型中選取相應(yīng)的參考元素并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可獲得相應(yīng)的零件模型。為了確保關(guān)聯(lián)關(guān)系的準(zhǔn)確建立及修改，模板所拾取的參考元素必須為骨架模型中的已發(fā)布元素，模型參數(shù)可以直接輸入也可以依據(jù)零件間的參數(shù)關(guān)聯(lián)通過拾取其他零件中的發(fā)布參數(shù)來獲得，參數(shù)設(shè)置過程中需充分考慮模型間參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。以翼肋參數(shù)設(shè)置為例，參數(shù)設(shè)置過程中長(zhǎng)桁缺口參數(shù)與長(zhǎng)桁尺寸關(guān)聯(lián)。因此，長(zhǎng)桁缺口參數(shù)應(yīng)拾取在長(zhǎng)桁創(chuàng)建過程中發(fā)布的長(zhǎng)桁尺寸參數(shù)。

該模板實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼主要零部件的快速創(chuàng)建及修改。

圖6 機(jī)翼盒段參數(shù)化建模模板

3 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證機(jī)翼盒段快速建模模板的高效性，本文選取某機(jī)型機(jī)翼模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖7為通過機(jī)翼部件參數(shù)化建模模板創(chuàng)建機(jī)翼模型的完整過程：①打開骨架模型。骨架模型需滿足機(jī)翼部件快速建模模板對(duì)骨架模型的要求；②選擇創(chuàng)建當(dāng)下零件所需的參考元素；③選擇機(jī)翼部件截面形式，輸入或選擇相應(yīng)的參數(shù)值或參數(shù)關(guān)系式；④點(diǎn)擊創(chuàng)建生成新的零件。最終生成的機(jī)翼三維模型如圖8所示。

圖7 機(jī)翼盒段模型創(chuàng)建過程

圖8 機(jī)翼盒段三維模型

利用模板所創(chuàng)建的模型能夠滿足模型依據(jù)設(shè)計(jì)變更而修改更新的條件。模型的修改主要包括參考元素的修改更替以及模型部分參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)模型信息發(fā)生變更時(shí)相應(yīng)的模型會(huì)自動(dòng)變紅提示更新，設(shè)計(jì)人員只需依據(jù)需要確認(rèn)或者取消更新即可。

以骨架模型變動(dòng)為例，如圖9所示當(dāng)骨架模型中長(zhǎng)桁站位面發(fā)生變動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將新的長(zhǎng)桁站位面發(fā)布并代替原有長(zhǎng)桁站位面。此時(shí)，通過機(jī)翼盒段快速建模模板創(chuàng)建的機(jī)翼盒段模型會(huì)自動(dòng)查詢與該長(zhǎng)桁站位面相關(guān)聯(lián)的零件模型。受到該變更影響的模型會(huì)變?yōu)榧t色，以提示設(shè)計(jì)人員判斷是否需要依據(jù)變更對(duì)模型進(jìn)行更新。設(shè)計(jì)人員只需點(diǎn)擊更新，模型依據(jù)新的骨架模型對(duì)三維模型進(jìn)行快速修改，生成新的盒段模型。

圖9 機(jī)翼盒段模型快速修改

4 結(jié) 論

(1) 本文針對(duì)機(jī)翼設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)變更造成的三維模型大量重建的問題，給出了結(jié)合關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的模板建模方法。

(2) 通過分析機(jī)翼模型中存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及機(jī)翼各零件的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定了機(jī)翼盒段參數(shù)化建模模板的具體內(nèi)容，包括參考元素的拾取和模型參數(shù)設(shè)置兩個(gè)部分。開發(fā)了機(jī)翼部件快速建模模板。

(3) 以某機(jī)型機(jī)翼盒段的創(chuàng)建進(jìn)行驗(yàn)證，確定了該模板的高效性。該方法大大縮短了設(shè)計(jì)周期，避免了由于設(shè)計(jì)變更造成的模型重建的問題，該模板生成的機(jī)翼三維模型結(jié)構(gòu)清晰易于設(shè)計(jì)人員維護(hù)修改。

[1] 馮國(guó)成, 梁 艷, 于 勇, 等. 基于模型定義的數(shù)據(jù)組織與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 航空制造技術(shù), 2011, (9): 62-66, 72.

[2] 張寶源, 席 平. 三維標(biāo)注技術(shù)發(fā)展概況[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 32(4): 74-79.

[3] 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[J].航空制造技術(shù), 2008, (14): 45-47.

[4] 周 紅, 唐敦兵, 康與云, 等. 飛機(jī)裝配工裝快速變更設(shè)計(jì)方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程, 2013, 42(4): 8-13.

[5] 唐家鵬, 席 平, 張寶源. 協(xié)同工作環(huán)境下的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù), 2014, (5): 97-100.

[6] 何朝明, 陳黎麗, 王 強(qiáng). 面向零件模板和骨架的快速設(shè)計(jì)[J]. 四川教育學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 26(11): 112-113, 116.

[7] 羅明強(qiáng), 馮昊成, 劉 虎, 等. 機(jī)翼結(jié)構(gòu)有限元的快速建模及自動(dòng)化調(diào)整[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 37(6): 680-684.

[8] 周 婷, 曹 巍, 鄭國(guó)磊, 等. 飛機(jī)裝配型架骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)原理及算法[J]. 航空制造技術(shù), 2014, (8): 32-35, 41.

Application of Associated Design Technology on Wing Components Rapid Modeling

Chen Dongming, Xi Ping, Tang Jiapeng
(Mechanical Engineering and Automation Institute, Beihang University, Beijing 100191, China)

Aircraft and other complex product design process is becoming a full three-dimensional process. It is quite important to create and maintain model accurately and quickly, which significantly affect the product design cycle. Parts rapid modeling can effectively improve the efficiency of three-dimensional model creating, while it is limited to create a single part quickly. Associated design makes a rapid component modeling possible. Focused on these questions, this paper studies the combination of associated design and rapid modeling, presents a detailed method combining associated design techniques with wing components rapid modeling and verifies the effectiveness of the model through a rapid modeling tool based on such technique.

three-dimensional model; associated design; rapid modeling; rapid amending

TP 391.72

A

2095-302X(2015)05-0730-04

2015-04-09；定稿日期：2015-05-21

陳東明(1989-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能CAD技術(shù)。E-mail：cdmstudy@163.com

席 平(1954-)，女，陜西西安人，教授，博士。主要研究方向?yàn)轱w行器數(shù)字化設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面造型、知識(shí)工程。E-mail：xiping@buaa.edu.cn