全三维飞机设计技术及其应用

作者：中航工业第一飞机设计研究所 刘俊堂    来源：航空制造技术

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 随着计算机技术发展，特别是三维CAD技术的发展，人类使用三维模型表达设计意图成为可能。自20世纪80 年代开始，西方发达国家已经开始把三维设计技术应用于产品设计和生产中。21世纪初，电子样机技术已经在我国飞机研制中得到规模化应用，并取得了显著的效益。最近几年来，随着国家信息化带动工业化战略决策的制定及其中航工业数字化技术应用顶层规划的制定，飞机研制数字化的应用有了长足的发展，在某些方面已经接近或赶上国际先进水平，如在数字样机设计方面，实现了100％的三维建模和100％的数字化虚拟装配，在多个飞机型号的研制中，已经完全使用数字样机取代物理样机。 基于CAD技术的虚拟样机设计技术，给设计协调带来了巨大的好处，几乎所有的设计意图都可以通过三维模型进行协调和匹配检查、运动机构仿真、分析仿真，实现了所见即所得，回归了人类自然的创造模式，降低了劳动强度，提高了设计质量，减少了设计返工。但是，以三维为手段的飞机产品研制模式，并没因其诸多优势就很快替代传统的以二维图纸为手段的研制模式。由于受生产模式和习惯及其工厂生产条件、员工基本技能等因素的限制，一段时间内，我国航空工业仍然采用二维加三维的模式进行设计和生产（三维设计，二维生产），设计人员除了建立三维模型外，还需要把三维模型转化为二维图样，提交制造厂使用，这样不仅增加了工作量，还难以保证数据的唯一性。 实践证明，二维加三维的模式已经成为阻碍航空工业数字化技术应用进程的主要障碍之一，因此，中航工业第一飞机设计研究院（一飞院）在某型飞机机头物理样机的研制中，与成飞等单位合作，首次把全三维设计技术应用于型号的研制中。在此研制中，没有使用一张二维图样，全部使用三维模型，效果显著，得到了设计、制造及其行业内各方认可，目前正全线推广应用于整个型号研制及其他兄弟单位的飞机研制中。 全三维设计技术（Full Three-Dimensional Design）不仅带来了飞机研制模式的改变，而且成就了新的高效的飞机设计手段，主要包括样机的在线设计技术、关联设计技术、基于成熟度控制的并行协同设计技术等，为航空工业数字化技术体系化的应用打下了坚实的基础。 全三维设计技术概念 全三维设计技术最早在波音公司得到应用，我国航空工业全三维设计也是从波音的转包生产中得到学习、启发、借鉴和应用的。简单地说，全三维设计就是在建立三维模型时，不仅要包含精确的几何模型，还需要包含尺寸、公差、基准、属性等信息，以满足下游工艺设计和检验设计的要求，替代原二维图样的功能，这样才能把二维图样完全取消掉。 谈到全三维设计技术，不得不提及基于模型定义的概念，也就是国际流行的MBD（Model Based Definition）技术。“基于模型定义的内容应包括飞机的功能模型（性能模型）、空间模型（几何模型）、制造模型（工艺模型）和支持模型（维护模型）”，如图1所示。 从图1 可以看出，MBD技术涵盖了产品从设计、分析、制造、维护的整个生命周期，其中面向设计和制造的空间和制造模型是MBD技术的基础，并且目前在国外技术应用比较成熟，国内在近一两年内也进行了深入探索研究和试点应用，因此我们所说的全三维设计技术通常是指面向制造的模型的建立和应用。 全三维设计技术实现 目前，全三维设计技术在中航工业一飞院所承担的某型号任务中正进行全面的推广和应用，也是我国首次把全三维设计技术大规模应用于型号的研制中。 全三维设计技术之所以较难推广，原因在于还没有形成在三维模型中进行三维标注的标准和规范，三维数字化定义仅包含零组件的几何模型。仅靠产品的三维数字化模型，往往难以进行产品的生产和检验。也就是说，三维模型中没有让技术人员立刻明白的方式，将制造工艺、生产技术、模具设计与生产、部件装配、部件与产品检验等工序所必须的设计意图添加到三维模型中去。也就是说，虽然三维模型包含了二维图纸所不具备的详细形状信息，但是，三维数据中不包括几何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合形势、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围和颜色、要求符合的规格与标准等，这些仅靠形状是无法表达的（非形状或几何）信息。基于这一情况，美国机械工程师协会（ASME）于2003年在波音公司举行会议，与波音公司共同制订了“数字化产品定义数据规程”（DigitalProduct Definition Data Practice，DPDDP）ASME Y14.41标准。其主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维模型中去，而要充分利用三维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解、更具效率的设计信息表达方式。” 全三维设计技术的实现主要涉及全三维设计工具、全三维设计规范、全三维数据管理技术等几个方面。 1全三维设计工具 全三维设计工具包括建模工具和三维标注工具，是全三维设计技术应用的基本工具。三维建模工具软件较多，常见的有UG、ProE、CAXA、CATIA等，具有三维标注功能的软件以达索公司的CATIA最具代表性，也是波音和我国航空工业使用的主流三维设计软件。 图2为CATIA V5R18的三维标注功能模块应用界面，窗口中编辑的是一个已经完成三维标注的零件，这是波音飞机中使用的一个真实的零件。图2所示内容基本包含了5个部分：零件的几何模型；零件的尺寸和公差标注；零件结构树几何定义部分；零件结构树标注定义部分；三维标注工具。除尺寸和公差外，波音全三维设计的标注还包括关键特征（KC）的标注；零件的注释说明，零件加工工艺过程所必须提供的产品描述性定义信息；装配连接定义。由于加工方法的不同，建模方法也不同。机加、钣金、复合材料、管路系统、电气系统的设计必须使用不同的工具，同样，相应的标注方法也不尽相同。在建模方面，CATIA提供了通用机械零件设计模块（MD2或HD2），航空钣金零件设计模块（ASMD）、复合材料设计模块（CPD）、管路系统设计模块（PUB）及其电气系统设计模块（EHD/EWR等）；在三维标注方面，CATIA提供了基于零件（FTA）和装配件（PTA）的三维标注工具模块。 2全三维设计规范 全三维设计技术的应用，离不开全三维设计技术应用规范。波音为了推动全三维设计的应用，编写了BDS-600系列规范，共计23种。 中航工业一飞机院在某型飞机的研制中，为推进全三维设计技术的应用，在实际应用初期，成立了由总体、结构、系统、信息和标准部门专门人员组成的MBD技术应用攻关团队，通过研究在三维模型上进行尺寸和公差标注技术方法、剖视图生成技术方法、加工要求标注技术方法、特征视图捕获创建与管理技术方法、附加标准依据信息技术方法、采用零件模型进行三维装配模型的标注技术等，并通过对波音实例零件的分析消化及其与制造部门的协调，初步确定了MBD的技术方案，编写了全机物理样机三维制图标注规定，为全三维设计技术的应用奠定了基础。 目前中航工业一飞机院已经完成全三维数字化设计与制造标准文件20余份，基本形成完整的技术体系，位居行业前列。 3全三维设计数据管理技术 以三维模型为核心的飞机研制，改变了传统的飞机研制模式，无论是数据的形式（纸质变电子）和内容（平面变立体）都发生了变化，给数据的管理、审核和发送提出了新的挑战。实践证明，像纸介质一样人工管理三维模型的方式已经无法满足全三维设计技术的要求。因此，波音在推进全三维设计技术应用的同时，积极推进产品数据管理技术的应用，建立了全球协同研制环境（GlobalCollaboration Environment，GCE），解决全三维设计数据的管理问题、设计的并行问题、制造的协同问题、技术状态的管理问题等，形成了一套完整的全三维飞机研制技术体系和解决方案。 中航工业一飞机院在某型飞机的研制中，以全三维研制技术体系为支撑，建立了以关联设计和协同研制为主体的数字化协同设计环境（DigitalC o l l a b o r a t i o nE n v i r o n m e n t，DCE），解决全三维设计的数据管理和并行协同研制问题。DCE平台主要由关联设计子系统和协同研制子系统两大子系统构成，2个子系统之间通过接口连接，以实现数据的交换和流程的控制。 关联设计子系统，主要面向设计，完成设计内部各专业之间的数据共享、设计并行和模型的成熟度控制，提供模型标注工具与模板，进行在线设计和关联设计。 协同研制子系统，主要进行数据的审核/发送控制，进行数据向制造厂的发送、试制问题的处理和沟通，进行更改控制和技术状态管理等。DCE平台解决了全三维设计的数据管理问题，为保证型号的顺利研制起到非常重要的作用。 4全三维设计的推广 全三维设计是一种新技术，必然会受到传统设计方法及设计习惯的阻碍与限制，特别对于制造部门，无疑是一场革命，将改变原有的研制流程，提高技术人员的技术水平，变革原有的设计工具。因此，在全三维设计技术应用过程中，有些不是通过技术手段可以解决的，必须通过管理手段，在此过程中最为艰难的是“要从二维图纸文化这种现有概念中跳出来”，要从决策和管理层进行推进。 全三维设计技术应用 在某型飞机的研制中，中航工业一飞院作为总师单位联合国内六大制造厂，首先在机头、起落架和尾翼部分全面推广全三维设计技术，涉及零件近万个，涵盖了机加、钣金、复合材料、管线和装配等几乎所有零组件的制造类型，应用效果明显，据设计人员初步估算，一般零件和组件设计，效率提高2~3倍，复合材料零件设计效率提高5倍。图3和图4分别图示了机加零件和管路系统的全三维设计。 全三维设计技术方法 全三维设计不仅仅改变了设计思想的表达方法（从二维到三维），而且可以改变设计方法。全三维设计是在CAD技术支持下，利用计算机几何设计、图像处理等技术实现现实物体的虚拟表现。三维模型中基本的几何要素（点、线、面等）都是用不同的数学模型来描述的，并以对象的方式存在于数据中，这样就很容易建立对象之间的各种关系（包括引用、连接、继承等），因此，全三维设计技术的应用必然会引起设计方法的改变，如模型的参数化设计、模型之间的关联设计等。 支持参数化设计，是CAD软件的基本功能，在此基础上形成的特征设计，超强拷贝（Power Copy）及其知识工程，则是参数化设计的高级应用。参数化设计解决了零件建模的自动化问题，比如标准件系列建模，给定不同的参数，就会得到同一类型不同规格的标准件。如果建立了模型之间几何元素的引用和参考关系，就可以进行飞机设计中不同专业之间及其专业内部上下游之间的关联设计。关联设计技术是在三维设计过程中，通过参数化设计技术建立模型之间的相互依赖关系，从而实现飞机研制中上下游专业设计输入与设计输出之间的影响、控制和约束关系。 关联设计实施的难度在于顶层规划设计和关联设计规范的定义，包括骨架模型和接口的定义规则，梳理专业之间的业务流程，产品的结构组织定义，骨架模型的分布规则等。中航工业一飞院在某型飞机的研制中，通过技术攻关，建立了关联设计技术体系，把关联设计技术成功应用于总体、结构和系统的设计，取得显著的成果。 除关联设计外，全三维设计技术还在产品数据管理技术支持下，实现样机的在线设计和基于成熟度控制的并行设计等，为高效快捷进行飞机研制提供了非常有效的手段。 推动全三维设计技术应用 全三维设计技术为飞机研制数字化技术应用奠定了坚实的基础。2006年12月26日波音携手达索向公众展示了787虚拟生产线，此前不久波音向世界宣布了787梦幻飞机虚拟下线，这是人类首次通过仿真技术测试验证新产品并实现产品下线。梦幻线过程集成副总裁Kevin Fowler总结说“像波音787梦幻线这样具有突破性的项目，需要在性能、质量、成本和时间上都处于领先地位，而这些要以有效灵活的生产规划作为支撑。三维的PLM能够很好地满足这些需求”。 全三维设计技术可保证设计数据的唯一性；保证设计数据的一致性；提高设计效率、保证设计质量；设计意图直观表现，提高制造效率和质量；可直接应用于后续的仿真与分析，简化分析建模，减少数据转换；是飞机数字化技术应用的基础。全面推动全三维设计技术的应用，必将带动我国航空数字化设计技术的跨越式发展，缩短与发达国家的技术差距，当然这其中会遇到相当大的困难，但需要有打破传统设计习惯的魄力和决心。(end)

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