吳志鵬，靳淑娟，曾佩杰

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

直升機系統(tǒng)零部件密集,交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,目前在直升機研制過程中已全面應(yīng)用MBD 全三維設(shè)計技術(shù)，基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建立了單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字樣機模型，實現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計到制造的全數(shù)字量傳遞和基于數(shù)字樣機的并行協(xié)同研制。但是直升機并行協(xié)同過程是不斷更改優(yōu)化數(shù)字樣機模型的過程,隨著直升機從概念設(shè)計轉(zhuǎn)入初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等階段，設(shè)計更改會急劇增加，數(shù)字模型內(nèi)部會形成錯綜復(fù)雜、混合交織的網(wǎng)狀更改影響關(guān)系[1]。然而由于數(shù)字樣機模型內(nèi)沒有建立有效的關(guān)聯(lián)，無法建立更改的自動數(shù)字量的關(guān)聯(lián)傳遞，目前主要采用不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木€下人工通知來傳遞更改，導(dǎo)致研制迭代的效率低下、全機數(shù)字樣機狀態(tài)更新不及時，同時也無法在設(shè)計更改時快速評估更改影響性[2]。

關(guān)聯(lián)設(shè)計在國外航空領(lǐng)域中已經(jīng)大面積應(yīng)用，國內(nèi)尚處于起步應(yīng)用階段。主要航空院所專家學(xué)者劉俊堂、白永紅、田憲偉、陳陽平等從關(guān)聯(lián)設(shè)計的概念、原理和實現(xiàn)方法、設(shè)計制造協(xié)同關(guān)聯(lián)、關(guān)聯(lián)設(shè)計骨架模型定義、數(shù)字樣機模型鏈接關(guān)系表示及求解等方向開展了關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在飛機研制中的應(yīng)用探索研究[3-7]，本文主要基于法國達(dá)索VPM/CATIA 系統(tǒng)平臺，進(jìn)一步研究基于構(gòu)型項的骨架模型定義管理，自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計方法等在直升機研制中的應(yīng)用。

1 基于骨架模型的關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)

關(guān)聯(lián)設(shè)計是指在設(shè)計零件時可以參照其它現(xiàn)有零件，并在零件之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種方法。當(dāng)被參照零件更改時，系統(tǒng)自動提示該設(shè)計零件是否需要更改，并且通過系統(tǒng)的自動更新功能，把上游零件的更改內(nèi)容傳遞到下游設(shè)計零件中，大幅提高了零件設(shè)計的迭代的速度，縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期[8]。

基于骨架模型的關(guān)聯(lián)設(shè)計核心是要對設(shè)計對象進(jìn)行分析，梳理出設(shè)計對象各部分之間的相互影響關(guān)系，并總結(jié)決定設(shè)計對象的主要因素、關(guān)聯(lián)關(guān)系的接口和載體，形成骨架模型。骨架模型本身的內(nèi)容可以是點、線、面、曲面等幾何元素，也可以是從實體上抽取的頂點、邊、面等拓?fù)湓豙9]。骨架模型只用來作為設(shè)計員的設(shè)計參考或定位參考，而不是產(chǎn)品BOM的內(nèi)容，并按層次進(jìn)行組織，下層骨架模型參照上層骨架模型進(jìn)行必要的分解。同級別的設(shè)計人員同時參照同一個骨架并行設(shè)計各自負(fù)責(zé)的零件。最終要實現(xiàn)上層更改引起下層必要的更改，同時不至于影響所有下游零件。

基于骨架模型的關(guān)聯(lián)設(shè)計方法在直升機研制中應(yīng)用主要有以下優(yōu)點：

所有重要的外形、接口、參數(shù)等信息都保存在骨架模型中，確保了關(guān)鍵接口參數(shù)信息的集中管理[10]。在整個設(shè)計過程中，不同角色的設(shè)計人員各司其職，骨架模型可以由經(jīng)驗較為豐富的設(shè)計人員負(fù)責(zé)完成，并通過關(guān)聯(lián)方式傳遞到各個設(shè)計人員進(jìn)行具體設(shè)計，保證了骨架模型的設(shè)計質(zhì)量，同時也提升了型號研制效率。

在骨架模型設(shè)計方法中，所有的外部參考元素都是從骨架傳遞過來的；所有關(guān)聯(lián)都是指向同一個方向。盡可能的避免了大型產(chǎn)品設(shè)計中各子系統(tǒng)之間相互引用而導(dǎo)致的循環(huán)更新問題。

2 基于構(gòu)型項的直升機骨架模型定義與管理

2.1 骨架模型的組織

關(guān)聯(lián)設(shè)計需要充分考慮直升機產(chǎn)品設(shè)計自頂向下的相互參考關(guān)系，建立自頂向下的樹狀骨架模型樹，形成產(chǎn)品骨架模型合理的層次關(guān)系，并制定單方向的參考引用規(guī)則，避免關(guān)聯(lián)關(guān)系的相互引用導(dǎo)致的循環(huán)嵌套，使得骨架之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系易于控制。另外，以構(gòu)型項目CI（Configuration Item）為基本單位建立自頂向下的模塊化骨架，通過骨架模塊化設(shè)計和模塊配置管理，形成多樣化的骨架系列，滿足軍民用各類產(chǎn)品的靈活多樣的構(gòu)型特點要求。通過對產(chǎn)品CI 規(guī)劃和零組件設(shè)計進(jìn)行清晰地界定，使開展工作的相應(yīng)人員有明確的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)要求和責(zé)任分工。在CI 規(guī)劃環(huán)境中，技術(shù)狀態(tài)管理人員依據(jù)研制方案規(guī)劃CI 結(jié)構(gòu)樹，定義產(chǎn)品骨架結(jié)構(gòu)及相應(yīng)模塊，通過配置過濾產(chǎn)生相應(yīng)的CI 樹反映各類構(gòu)型的產(chǎn)品，并將結(jié)構(gòu)樹的葉節(jié)點CI 傳遞至骨架零組件設(shè)計環(huán)境；在骨架零組件設(shè)計環(huán)境中，設(shè)計人員在傳遞的CI 下開展具體模塊的設(shè)計活動，組織骨架零組件數(shù)據(jù)。

關(guān)聯(lián)設(shè)計是一種上下文設(shè)計方式，骨架模型需要與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立在統(tǒng)一的上下文環(huán)境下，VPM 系統(tǒng)中單PRC 結(jié)構(gòu)環(huán)境下的基于構(gòu)型CI 的骨架組織結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 基于構(gòu)型CI 的骨架組織結(jié)構(gòu)示意圖

在VPM 系統(tǒng)中，骨架模型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通過GCO 組織在同一PRC 根節(jié)點下。骨架模型樹分為兩層，分別為骨架CI 層和骨架零組件層。其中骨架CI 層又分為骨架ICI（Invariable CI）不可變構(gòu)型配置項和骨架VCI（Variable CI）可變構(gòu)型配置項，骨架零組件層位于VCI 骨架節(jié)點之下，骨架零部件（CHDPRODUCT）下掛載具體的骨架零件（葉節(jié)點）。在骨架CI 層，技術(shù)狀態(tài)管理人員依據(jù)系統(tǒng)規(guī)范和研制方案規(guī)劃骨架CI 結(jié)構(gòu)樹，定義骨架結(jié)構(gòu)模塊，通過配置產(chǎn)生相應(yīng)的骨架CI 樹反映各類構(gòu)型的骨架產(chǎn)品，并將結(jié)構(gòu)樹的葉節(jié)點VCI 權(quán)限傳遞至骨架零組件層；在零組件層中，骨架設(shè)計人員在傳遞的VCI 下開展具體模塊的骨架設(shè)計活動，組織骨架零組件數(shù)據(jù)。

根據(jù)直升機研制特點，骨架模型按專業(yè)主要分為總體氣動骨架、機體結(jié)構(gòu)骨架、系統(tǒng)骨架三類。其中系統(tǒng)泛指液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等直升機系統(tǒng)。

總體氣動骨架模型主要包括理論外形骨架模型VCI 節(jié)點、占位信息骨架模型VCI 節(jié)點及其骨架模型零件等?？傮w氣動骨架模型是對總體氣動產(chǎn)品模型的分解、細(xì)化，方便下游專業(yè)的引用。

機體結(jié)構(gòu)骨架模型分為機體結(jié)構(gòu)骨架模型（總論）和區(qū)域結(jié)構(gòu)骨架模型。機體結(jié)構(gòu)骨架模型（總論）引用總體發(fā)布的骨架模型，組織結(jié)構(gòu)總體骨架模型零件及各區(qū)域間的接口骨架模型，區(qū)域結(jié)構(gòu)骨架模型引用機體結(jié)構(gòu)骨架模型（總論）發(fā)布的骨架模型進(jìn)一步組織細(xì)化形成區(qū)域骨架模型零組件。

系統(tǒng)骨架模型參照機體結(jié)構(gòu)骨架模型組織形式分為系統(tǒng)骨架模型（總論）和區(qū)域系統(tǒng)骨架模型。系統(tǒng)骨架模型（總論）引用結(jié)構(gòu)發(fā)布的骨架模型組織系統(tǒng)總體骨架模型零件及各區(qū)域間的接口骨架模型，區(qū)域系統(tǒng)骨架模型引用系統(tǒng)骨架模型（總論）發(fā)布的骨架模型進(jìn)一步組織細(xì)化形成區(qū)域骨架模型零組件。

2.2 骨架模型的有效性管理

技術(shù)狀態(tài)管理人員通過CI 進(jìn)行骨架模型的有效性管理。基于CI 的骨架模型配置規(guī)則如圖2 所示，ICI 不發(fā)放不升版，VCI 發(fā)放可升版，ICI 和VCI上進(jìn)行批架次有效性配置，骨架零組件繼承其上級的CI 有效性，不另外設(shè)置有效性。CI 及零組件為最新版有效，并自動替換老版的有效性，老版有效性設(shè)為空。若CI 及零組件有效性發(fā)生變化，則需要通過CI/零組件換號實現(xiàn)，換號后的CI/零組件設(shè)置新的有效性。通過架次有效性可過濾得到不同架次的產(chǎn)品骨架模型，設(shè)計人員引用過濾得到的產(chǎn)品骨架模型開展相應(yīng)架次的產(chǎn)品骨架設(shè)計工作，從而實現(xiàn)骨架模型多構(gòu)型配置和快速衍生設(shè)計。

圖2 基于CI 的骨架模型構(gòu)型配置規(guī)則

2.3 骨架模型的更改管理

骨架模型的更改不同于設(shè)計模型的更改，骨架模型更改不僅會影響到與其關(guān)聯(lián)的設(shè)計模型更新，還可能會導(dǎo)致下游零件的版本升版、換號、有效性變化?；赩PM的骨架模型的更改過程如圖3 所示，主要包括：

圖3 骨架模型更改過程

（1）根據(jù)型號研制需要，提出骨架模型的更改需求；

（2）模型更改前，需要在VPM 中對模型更改的影響性進(jìn)行分析，評估更改對下游關(guān)聯(lián)對象的影響程度，從而最終確定更改方案；

（3）在正式更改前，需要考慮骨架模型的狀態(tài)“工作中”或者是“已發(fā)放”。

①對于工作中的骨架模型更改，可根據(jù)更改方案直接修改骨架模型，更改關(guān)系會直接傳遞至下游，下游受影響模型直接在上下文中進(jìn)行更新同步；

②對于已凍結(jié)發(fā)放的骨架模型，則需要考慮骨架模型更改的影響，考慮是否會引起構(gòu)型變化。

（4）若骨架模型的更改不會引起構(gòu)型的變化，則考慮在非上下文環(huán)境中進(jìn)行骨架模型換版，此時，下游無法看見換版后的高版本模型。待完成設(shè)計后，高版本骨架模型可通過“同步”操作替換上下文環(huán)境中的低版本的骨架模型，引用該骨架模型發(fā)布元素的下游設(shè)計模型可依據(jù)高版本模型進(jìn)行自動更新。

（5）若骨架模型的更改會引起構(gòu)型的變化，則需要通過骨架模型換號操作實現(xiàn)，首先創(chuàng)建一個游離的衍生模型，然后開展更改工作，最后將新骨架模型掛載在相應(yīng)結(jié)構(gòu)樹中。下游受影響模型需要在同時打開上下游模型環(huán)境下進(jìn)行外部引用幾何元素替換更新。

3 自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計方法

3.1 自頂向下的直升機研制關(guān)聯(lián)關(guān)系

直升機型號研發(fā)有著明顯的上下游參考關(guān)系，主要遵循總體氣動-結(jié)構(gòu)設(shè)計-系統(tǒng)設(shè)計的自頂向下的設(shè)計順序和參考順序。

總體氣動作為源頭，為結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計提供外形、站位參考，總體氣動專業(yè)形成的設(shè)計結(jié)果主要包括理論外形圖、主旋翼理論外形，尾槳理論外形，總體布置圖、通道與口蓋布置圖、三面圖、交點數(shù)據(jù)圖、客貨倉布置圖、操縱臺布置圖等。

機體結(jié)構(gòu)是直升機主要的承載系統(tǒng)，主要包括前機身、中機身、過渡段、尾端等專業(yè)。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參考來源于總體氣動的外形和站位，主要是通過在設(shè)計件內(nèi)引用總體氣動發(fā)布元素建立關(guān)聯(lián)約束關(guān)系，而非通過零件間的裝配約束來傳遞關(guān)聯(lián)關(guān)系。

系統(tǒng)泛指電氣、飛控、液壓、燃油、動力等系統(tǒng)，這部分系統(tǒng)設(shè)計主要依附于結(jié)構(gòu)作為安裝平臺。系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)約束形式不同，系統(tǒng)設(shè)計主要是通過與結(jié)構(gòu)安裝發(fā)布元素建立約束來建立裝配關(guān)聯(lián)定位。

3.2 自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計應(yīng)用

自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計流程需要參考整個型號產(chǎn)品設(shè)計的上下游關(guān)聯(lián)關(guān)系，確保關(guān)聯(lián)設(shè)計的自上而下，避免產(chǎn)生引用閉環(huán)。如圖4 所示，自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計遵循如下關(guān)聯(lián)設(shè)計流程。

圖4 自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計流程

（1）構(gòu)型人員根據(jù)型號研制經(jīng)驗和特點進(jìn)行粒度劃分，合理定義骨架及產(chǎn)品CI，在單一PRC 中組織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及骨架樹。并將VCI 節(jié)點權(quán)限傳遞分配給相應(yīng)專業(yè)設(shè)計人員；

（2）總體氣動專業(yè)人員使用全參數(shù)創(chuàng)建型號總體氣動主幾何文件并在相應(yīng)骨架CI 下統(tǒng)一發(fā)布總體氣動骨架模型，供下游專業(yè)引用；

（3）機體結(jié)構(gòu)骨架組長引用總體氣動發(fā)布的骨架模型創(chuàng)建結(jié)構(gòu)骨架模型（總論），結(jié)構(gòu)分區(qū)域骨架組長進(jìn)一步分解得到各區(qū)域骨架模型，并進(jìn)行發(fā)布；

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計員則引用區(qū)域骨架模型發(fā)布元素開展結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)設(shè)計。同時提取并發(fā)布結(jié)構(gòu)包絡(luò)面，以便系統(tǒng)專業(yè)定位安裝系統(tǒng)產(chǎn)品；

（5）系統(tǒng)骨架組長引用結(jié)構(gòu)發(fā)布包絡(luò)面及參數(shù)建立系統(tǒng)骨架模型（總論），系統(tǒng)分區(qū)域骨架組長進(jìn)一步分解得到各區(qū)域系統(tǒng)骨架模型，并進(jìn)行發(fā)布；

（6）系統(tǒng)設(shè)計員利用“裝配R 模型”引用系統(tǒng)專業(yè)骨架模型的發(fā)布幾何元素，作為接地件與系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行裝配設(shè)計，從而可將裝配約束局限在產(chǎn)品模型裝配節(jié)點，避免出現(xiàn)無法保存在VPM 中的跨CI級（系統(tǒng)專業(yè)骨架模型與系統(tǒng)產(chǎn)品位于不同的CI）的裝配約束關(guān)系。其中裝配R 模型為全三維設(shè)計模式下表達(dá)裝配或安裝要求的特殊模型。

4 結(jié)束語

關(guān)聯(lián)設(shè)計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型產(chǎn)品（如航空裝備）的研發(fā)過程中，并能大幅提升產(chǎn)品的迭代研制效率。本文基于直升機研制采用的VPM、CATIA系統(tǒng)環(huán)境，研究了基于構(gòu)型項的直升機骨架模型定義與管理模式，通過骨架模塊化設(shè)計和模塊配置及更改管理，能夠?qū)崿F(xiàn)骨架模型多構(gòu)型配置和快速衍生設(shè)計，滿足直升機產(chǎn)品的靈活多樣的構(gòu)型要求。基于直升機研制關(guān)聯(lián)關(guān)系特點，提出并建立了自頂向下的直升機關(guān)聯(lián)設(shè)計方法和應(yīng)用流程，為關(guān)聯(lián)設(shè)計在直升機研制中的應(yīng)用提供了具體的應(yīng)用路徑。