鄧云飛、顧春輝、徐喆、尹進 /中國運載火箭技術研究院

航天新型產品研制領域面臨著外部競爭激烈，內部任務重、周期緊、技術難度大等困難，為確保我國新型航天器預研領域大有可為，必須放眼國際前沿，突破傳統(tǒng)觀念，尋求最佳研制模式，大幅縮短產品研制周期，提高研發(fā)質量。航天新型飛行器航空航天結合，協(xié)作單位跨越航空航天多家單位，急需突破傳統(tǒng)航天型號設計工具、設計平臺、研制模式和體系，建立適用于復雜協(xié)作關系和復雜飛行器構型的高效研發(fā)模式。

一、MBD概念的提出

基于模型定義(MBD)是采用全三維模型設計，將產品模型的幾何、非幾何信息按照一定規(guī)范用統(tǒng)一的模型進行定義表達的設計方法。美國通過ASME Y14.41 完成了相關標準的制定工作并應用于波音787、777 等客機研制，極大提高了研制效率，推動了數字化設計技術無紙化跨越式發(fā)展。

在新型航天器產品研制過程中，項目團隊結合ASME Y14.41 對數字化產品數據集定義及國內外先進航空宇航企業(yè)相關規(guī)范，面向國內航空航天實際技術水平，制定合理的MBD 數據集定義方案。不僅需要將傳統(tǒng)的基于二維圖樣定義技術中尺寸公差、注釋等標注信息移植到三維模型中，更關鍵的是要滿足管理技術以及并行工程要求。

二、 MBD主要內容

新型航天器產品MBD 將傳統(tǒng)二維圖樣上的尺寸公差、旗注、技術要求、材料屬性等信息通過標準規(guī)范集成到三維模型文件中。根據《新型航天器數據集定義規(guī)范》，MBD 數據集包括實體模型、三維注釋、尺寸及公差標注等信息，滿足完整定義產品的所有要求，典型MBD 數據結構如圖1 所示（實體模型+三維標注稱為設計模型，其他非幾何信息定義在特征樹中）。

圖1 典型MBD數據結構圖

三、MBD數據結構

數據結構主要包括主幾何、工程數據集和設計環(huán)境相關零部件，其中主幾何數據集包括主幾何模型數據集、接口控制幾何。

1.MBD 數據集的分類

（1）主幾何

主幾何包含構成飛行器外形和骨架的主要幾何元素，新型航天器概念設計到產品詳細出圖的基準模型。

全飛行器主幾何。描述全飛行器外輪廓及結構框梁位置的模型，對機身結構、翼面結構等外部曲面特征進行定義，是進行外形曲面相關零件設計和工裝模具制造的重要依據。主尺寸外形模型數據集和主基準文件定義了飛行器所有外部、內部的形狀及主要坐標系統(tǒng)、基準系統(tǒng)（點、線、面）。據集和主基準文件定義了飛行器所有外部、內部的形狀及主要坐標系統(tǒng)、基準系統(tǒng)（點、線、面）。

接口控制模型。對系統(tǒng)、部件之間的接口特征和要求進行定義，由說明文檔、設計接口模型組成，該數據集由總體設計人員定義和維護。

（2）工程數據集

新型航天器工程數據集包含實體幾何、三維標注和設計模板屬性定義的信息。名義尺寸直接在實體幾何1：1 中體現；關鍵尺寸和公差以及特殊技術條件通過三維標注表達；通用公差、材料屬性、表面處理、技術條件等通過模型模板自帶定義。新型航天器三維裝配工程數據集主要通過裝配要求模型進行定義，僅定義裝配關系、連接信息。

（3）設計坐標系和版本

除緊固件、復用件可通過復制實例化進行定義外，其他結構零件設計位置應由骨架模型采用自頂向下的設計方法確定。零件位置與骨架產生關聯，零件數模的坐標系與飛行器總坐標系重合。所有模型應標識版本，通過版本管理技術狀態(tài)，使模型的設計歷史過程可追溯。

2.各類數據集之間的關系

一是各類型的MBD 數據集都由一個單獨的零件模型構成，只有裝配件的數字樣機是由多個零件模型組合而成。二是MDS 和MDF 模型是所有其他文件的基礎，定義了其他所有模型之間的主要位置關系和外形基準。三是進一步分解為ICM 模型，對零件之間的位置關系和連接關系、位置進行定義。MDS 和MDF 可以用來直接定義零件，所有設計環(huán)境相關的零件均創(chuàng)建在全飛行器坐標系下。

四、MBD數據集中的組成

零部件產品的MBD 數據集包含精確的三維實體模型，通過模型制定的幾何集關聯產品的三維幾何信息、零部件表信息以及描述產品所需尺寸、公差和注釋信息，如圖2 所示。裝配要求模型中，產品結構由系統(tǒng)管理和表達，可以引入部分參考實體模型。對于組件/裝配MBD 數據集應包括設計配套表，以單獨的文檔形式表現，作為三維裝配模型的補充。完整的MBD 數據集應適應飛行器并行定義工作模式，提供能夠容納并行工作結果的集成框架。

圖2 2MBD數據集組成

五、 MBD數字化產品定義

完整的MBD 模型數據包括關聯設計數據、實體模型、工程注釋、尺寸和公差、工藝信息、裝配連接等。采用數字化軟件模塊實現三維定義，一般幾何名義信息由模型本身表達，幾何公差、非幾何信息由三維標注完成。典型的金屬機加零件三維標注視圖包括所有注、軸側圖、纖維方向、基準。

（1）實體模型

實體模型應基于骨架模型，由骨架模型發(fā)布的理論外形曲面、站位平面等約束關聯設計，生成的模型與實物產品比例應為1:1，且位置確定。

（2）工程注釋

標準注是對項目的通用說明，包括項目概述、通用說明、版權說明、密級、數字化產品定義遵循的標準、尺寸及公差遵循標準、完整性要求、運輸及保護、尺寸單位、模型尺寸比例等。

（3）尺寸、公差及基準標注

MBD 模型為產品法定尺寸公差標注的唯一介質，每個關鍵零件特征的工程數據（如公差、型面精度）均應通過零件注或功能尺寸和標注（FT&A）直接在CATIA 模型特征上進行定義，且所有FT&A應與唯一的模型相關聯。產品特征的所有尺寸、公差、工藝處理內容要在模型中保持唯一、無冗余。

三維模型標注應摒棄二維制圖“應標盡標”的思維定勢，基于三維模型的定義要求，用模型表達的無須使用尺寸?；谀Ｐ偷亩x幾何元素是解析幾何的“方程式”，二維制圖的幾何元素是平面幾何的量。

（4）工藝信息

MBD 數據集的核心理念是通過唯一的三維模型，集成設計信息和必要的工藝信息，統(tǒng)一全過程數據源。對于零部件的工藝信息，可分為零件級工藝信息和零件特征工藝信息，因此在MBD 模型中分別以零件注、標準注、物料描述說明等方式處理。對于部分零件，應將設計關注的工藝信息體現到模型中，實現設計制造一體化。對于需要顯示界面規(guī)范的應專門進行標注；對于復合材料，應根據工藝特點標注模具面、設計和工藝邊界以及生成符合工藝規(guī)范的鋪層信息。

（5）裝配連接信息定義

每個零件都要通過機械連接（鉚接、螺接等）、膠接或焊接進行連接，因此所有零部件產品必須要有連接特征定義。在數字化產品定義中，裝配或安裝產品與零件產品最大區(qū)別在與對裝配或安裝工藝的標注注釋和說明。例如將裝配緊固件已簡化的點、線表示，在模型中體現。一方面裝配工藝根據點線的屬性獲取緊固件的牌號和安裝要求，另一方面零件工藝可以根據點線位置數控加工導引孔，方便裝配精準定位。

航天新型產品設計技術領域新、專業(yè)跨度大、參與單位多、研制周期緊張、設計質量和使用可靠性要求高，需要高效的設計模式支撐項目的成功研制。項目組從傳統(tǒng)的二維+三維的產品數字化定義向MBD 數字化定義轉變，核心是二維工程圖和零件表定義與應用完全被MBD 數據替代。在新型航天器產品MBD 數字化定義技術應用過程中，構建了MBD 數字化產品定義的一般原則和方法，建立了較為詳細、完善的MBD 技術規(guī)范體系?！?/p>