Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建燁，辛宇娟，屈力剛，楊野光，劉　躍

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室，沈陽 110136）

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基于全三維設(shè)計的航空緊固件輔助設(shè)計系統(tǒng)

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建燁，辛宇娟，屈力剛，楊野光，劉躍

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室，沈陽 110136）

摘 要：MBD模型已成為全三維設(shè)計、制造、裝配、檢驗的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。占飛機(jī)整體零件數(shù)量半數(shù)以上的緊固件，傳統(tǒng)手工查閱完成緊固件選型的工作方式效率低、錯誤率高。緊固件種類繁多、造型復(fù)雜，傳統(tǒng)的MBD三維模型表達(dá)方式在加大建模工作量的同時，也使得裝配信息冗雜不直觀。針對飛機(jī)全三維設(shè)計過程中，緊固件裝配設(shè)計重復(fù)率高、效率低、準(zhǔn)確率低的特點(diǎn)，建立基于全三維設(shè)計的航空緊固件智能設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)以基于知識的緊固件動態(tài)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立規(guī)范化的航空緊固件選用流程，采用緊固件3D點(diǎn)線表達(dá)&結(jié)構(gòu)化管理，實(shí)現(xiàn)航空緊固件的智能化設(shè)計，提高飛機(jī)的設(shè)計效率、裝配效率。

關(guān)鍵詞：MBD；動態(tài)數(shù)據(jù)庫；3D點(diǎn)線表達(dá)；設(shè)計效率；裝配效率

0 引言

無論是軍用、民用，現(xiàn)代飛機(jī)采用了大量緊固件，將組成飛機(jī)的零件、組件、部件連接成有機(jī)整體。緊固件使用數(shù)量少則幾十萬件，多則上百萬件；緊固件類型結(jié)構(gòu)多樣，需要根據(jù)使用部位、使用環(huán)境、使用載荷、壽命要求等進(jìn)行選用。在以往的緊固件設(shè)計過程中，一般采用手工查閱方式進(jìn)行緊固件的選擇和信息標(biāo)注，由于緊固件數(shù)量龐大、選用復(fù)雜，不僅花費(fèi)時間長，而且容易出現(xiàn)選型、標(biāo)注錯誤，整體設(shè)計效率亟待提高。

在飛機(jī)體裝配設(shè)計制造過程中，需要定義及使用大量的與緊固件相關(guān)的幾何信息和非幾何信息；裝配設(shè)計時需要把緊固件的附屬信息、連接信息等內(nèi)容附加到三維模型上，生成完整的三維數(shù)字化產(chǎn)品定義；然后交付裝配車間，裝配工程師從模型中快速獲取所需要的裝配數(shù)據(jù)，從而從設(shè)計數(shù)據(jù)到裝配數(shù)據(jù)的快速傳遞。

圖1　緊固件數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

通過通用軟件，設(shè)計人員需要手工定義及獲取數(shù)以萬計的緊固件信息，其中包括：緊固件牌號、緊固件安裝位置等，這將是一項繁瑣、易錯、費(fèi)時的工作；同時，定義和共享這些信息時，信息的自動同步、三維CAD系統(tǒng)地通用化是必須考慮的問題。工程師需要綜合緊固件信息建立正確的使用規(guī)范，在滿足規(guī)范要求的前提下，高效定義制造過程的不同階段狀態(tài)，確保最終產(chǎn)品滿足工程要求。

圖2　螺栓主輔對應(yīng)關(guān)系

1 基于知識的緊固件數(shù)據(jù)庫

各個航空企業(yè)針對自身研發(fā)的機(jī)型，都有自己內(nèi)部獨(dú)立編匯總、編纂的緊固件手冊。設(shè)計人員人工查閱三四百頁的緊固件手冊，綜合考慮零部件位置、載荷要求、變形程度等因素，確定緊固件規(guī)格。計人員主要確定緊固件幾何信息，非幾何信息的表達(dá)（如裝配技術(shù)要求、開口銷類型、潤滑、熱處理、表面處理等）對裝配過程也有重要影響。針對緊固件數(shù)量大、數(shù)據(jù)信息冗雜、選用規(guī)則繁瑣、主輔關(guān)系多樣的特點(diǎn)，建立一個基于知識、可實(shí)時查詢/更新的緊固件數(shù)據(jù)庫勢在必行。將二維紙質(zhì)的緊固件信息轉(zhuǎn)化成動態(tài)數(shù)據(jù)庫，成為緊固件快速安裝系統(tǒng)的前提與基礎(chǔ)。圖1為緊固件數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖。

2 規(guī)范化的航空緊固件選用流程

緊固件參數(shù)數(shù)據(jù)庫嚴(yán)格依照《飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件手冊（上）》（2014年3月第1版，以下簡稱“手冊”）中記錄的緊固件參數(shù)進(jìn)行錄入，其中涉及緊固件標(biāo)準(zhǔn)約350項，規(guī)格約21000個。緊固件標(biāo)準(zhǔn)繁多，選型復(fù)雜例，將緊固件手冊中的主輔對應(yīng)關(guān)系梳理清楚，建立一套嚴(yán)謹(jǐn)、通用性較強(qiáng)的緊固件選用邏輯。遵循緊固件選用邏輯建立的動態(tài)數(shù)據(jù)庫使得緊固件選用過程規(guī)范化、智能化。圖2為螺栓主輔關(guān)系對應(yīng)表。圖3為螺栓選型示意圖。

3 航空緊固件的3D點(diǎn)線表達(dá)

全三維設(shè)計中，MBD概念旨在將產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配過程中的所有信息集成在產(chǎn)品的三維模型中，以實(shí)現(xiàn)無紙化的三維數(shù)字集成制造。緊固件占飛機(jī)零件總數(shù)半數(shù)以上，種類繁多、數(shù)量巨大，選型繁瑣。在遵循MBD信息集成化的原則下，采用“3D點(diǎn)線”方式表示航空緊固件。其中，點(diǎn)的物理屬性代表緊固件的安裝位置；直線的物理屬性：長度，代表緊固安裝前/安裝后的軸向尺寸；方向，代表緊固件的安裝方向。圖4表示基于MBD的緊固件信息分類。CATIA軟件環(huán)境下緊固件的3D點(diǎn)線表達(dá)如圖5所示。

圖3　螺栓選型示意圖

圖4　緊固件3D點(diǎn)線表達(dá)示意圖

圖5　CATIA軟件環(huán)境下緊固件的3D點(diǎn)線表達(dá)

4 緊固件信息結(jié)構(gòu)化管理

“點(diǎn)線”方式是針對單個緊固件的信息表達(dá)方式；面對同一機(jī)型研制過程中數(shù)以萬計的緊固件，需建立一種宏觀角度上更為合理的緊固件管理方式。利用CATIA 的.CATPart文件實(shí)現(xiàn)緊固件相關(guān)信息的存儲；根據(jù)CATIA特征樹的理念，確定以“夾持組”為基礎(chǔ)進(jìn)行緊固件信息的分類管理。緊固件結(jié)構(gòu)化管理示意圖如圖6所示。

圖6　緊固件結(jié)構(gòu)化管理示意圖

5 實(shí)例驗證與結(jié)論

以平錐頭空心鉚釘HB1-601為例，進(jìn)行實(shí)例驗證。HB1-601主輔對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

6 結(jié)論

基于全三維設(shè)計的航空緊固件智能設(shè)計系統(tǒng)使得緊固件數(shù)據(jù)管理簡便、高效化；緊固件選用規(guī)范化、智能化；緊固件選用結(jié)果形象直觀。

圖8　創(chuàng)建夾持組

圖9　鉚釘選型過程圖

圖7　平錐頭螺紋空心鉚釘主輔對應(yīng)圖

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檢測與監(jiān)控

作者簡介：郭建燁（1971 -），男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事數(shù)字化設(shè)計與制造方面的研究。

收稿日期：2015-10-22

中圖分類號：V261

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0009-03