直升機數字樣機區域化上下文設計方法研究

陳陽平 高 亮 王 琛 謝 強 丁秋林

1.南京航空航天大學,南京,210016 2.中國直升機設計研究所,景德鎮,333001 3.華中科技大學,武漢,430047 4.中國商用飛機有限責任公司,上海,200235

0 引言

直升機系統關聯性強,設計過程中一個子系統的更改對與之關聯的其他系統有影響,其他系統也必須更改,往往導致較大的連鎖反應[1]。直升機系統的子系統布置密集,不同設計子空間若不能協調一致,就會導致設計沖突,嚴重時需要重新設計[2]。傳統的設計方法中,數字樣機模型之間缺乏關聯,設計人員對哪里有關鍵鏈接和參數,誰在使用這些關鍵鏈接和參數并不清楚,一旦關鍵鏈接或參數被修改,相關更改不及時,會導致設計的不一致,從而延長設計周期[3]。

為克服上述直升機設計的不足,本文提出直升機數字樣機區域化上下文設計方法。該方法使設計人員在設計時始終關注區域內的上下文關聯模型,通過在直升機數字樣機模型之間建立鏈接關系,使設計人員能及時發現多專業并行設計時相互之間的影響,從而快速協調設計沖突,完成多系統間復雜的協同更改。通過建立數字樣機的區域層次樹,對數字樣機模型進行區域化計算和更新,數字樣機檢查人員能夠快速搜索區域內的數字模型,開展數字樣機審查工作;設計人員能夠快速搜索到所關注的上下文關聯模型,開展協同設計工作,提高設計效率和質量。

1 區域化上下文設計系統總體框架

直升機區域化上下文設計方法有別于傳統的設計方法,采用該方法進行設計時,設計一開始工程師就開展實時上下文設計,并建立模型鏈接,集中進行數字樣機檢查,發現問題后進行上下文的更改和模型鏈接的更新,隨后進行新一輪的數字樣機檢查,其設計流程如圖1所示。

圖1 直升機數字樣機區域化上下文設計流程

圖2 區域化上下文設計的系統框架

為實現上述設計流程,本文提出了區域化上下文設計系統的總體框架,如圖2所示。圖2中,最上層為用戶層,提供圖形化用戶界面。中間層是功能層,包括區域化管理功能模塊和關聯管理模塊。其中區域化管理功能模塊提供區域生成與搜索服務,實現直升機數字樣機的區域定義、區域搜索、區域查詢和區域加載。關聯管理模塊提供模型鏈接生成和過濾服務,實現鏈接信息加載、鏈接狀態更新、鏈接影響性分析和鏈接狀態查詢。最下層為支撐層,提供數據管理、電子倉庫、數據庫、網絡和存儲等服務。

實現區域化上下文設計方法,需要研究的關鍵技術包括數字樣機區域化表達、數字樣機區域的生成與搜索、數字樣機模型鏈接的表達和數字樣機模型鏈接的求解。

2 區域化上下文設計的關鍵技術

2.1 數字樣機區域化表達

數字樣機區域化表達技術是采用零件幾何空間包絡體節點及產品區域層次樹來表達數字樣機區域的技術。零件數字模型區域是數字樣機區域的基本單元,數字樣機區域為其內部全部零件數字模型區域的并集。數字模型區域為完全包含其實體模型和幾何圖形集的規則區域,有多種類型,包括AABB(axis aligned bounding box)區域[4]、球形區域[5]、任意向長方體區域[6]和多面體區域[7]。由于直升機機體結構平臺、框和梁都采用與機體坐標平面XZ、YZ和XY平行的布局方式,綜合對比這四種區域表達方式,本文采用AABB區域來表達數字樣機區域。

AABB區域的長、寬、高與直升機機體坐標系X、Y、Z 3個坐標軸平行,左下角和右上角兩點坐標決定了一個區域,其點序列的表達為：〈A,B〉=〈(x,y,z),(x′,y′,z′)〉,其中 x ＜ x′,y ＜y′,z＜z′。數字樣機區域層次樹用于表達從零件、組件、裝配件、系統到產品整體的各層次區域信息,它是一個二元組(D,R),其中,D是n個區域層次節點的有限非空集合(n＞0),R是D中元素二元關系的集合,R滿足以下特性：①有且僅有一個節點d 0∈D,不存在任何節點d∈D,使〈d,d0〉∈R,稱d0為區域層次樹的根;②除根節點d0以外的所有節點,至少有一個節點d′∈D,d≠d′,使得〈d′,d 〉 ∈ R 。

數字樣機區域層次樹與產品結構樹緊密相關,產品結構樹是產品設計各部門進行信息共享和產品可視化的主要載體,是協同工作的重要基礎[8],產品結構樹中的一個上下級裝配關系與數字樣機區域層次樹中其下級零部件的區域節點一一對應,圖3a為直升機產品結構樹,圖3b為對應的區域層次樹,圖3a中的Ass1和SubAss1的上下級鏈接為SAR1.1,在圖3b區域層次樹中對應一個具體的區域節點SAR1.1,用于表達SubAss1的區域。

圖3 直升機結構樹與數字樣機區域層次樹

2.2 數字樣機區域的生成與搜索

數字樣機區域生成是針對直升機產品結構樹上的零件模型形狀的變化、零部件節點空間位置的變化、產品結構樹分支的刪除和插入,如圖4a～圖4d所示,計算出這些變化對數字樣機區域層次樹中相關區域節點信息的影響,從受影響的節點開始,沿該節點到產品結構樹根節點的路徑,自下而上更新區域節點信息。圖4a和圖4b中更新的節點路徑為 f′→d→c→b→a,圖4c和圖4d中更新的節點路徑為c→b→a。

圖4 數字樣機區域層次樹的變化與更新路徑

在數字樣機區域生成算法中,采用隊列來管理區域層次樹的四類變化,對層次樹進行更新,根據產品結構樹中對應的位置矩陣,自下而上逐級更新和維護區域層次樹的全部區域節點[9]。數字樣機空間搜索算法根據數字樣機區域層次樹,深度遍歷對應的產品結構樹,從數以萬計的直升機產品結構樹中搜索出目標區域內的產品結構子樹,加載子樹中關聯的全部數字模型。

2.3 數字樣機模型鏈接的表達

數字樣機模型鏈接表達技術是用于表達數字樣機模型內部幾何實體集、幾何圖形集和參數集之間的鏈接關系的技術。通過模型鏈接表達產品中的設計約束,在多模型中的幾何元素和參數之間建立元素引用或/和參數關聯,使設計意圖貫徹于設計方案中。為全面分析直升機數字樣機上下文模型之間的關聯影響性,本文采用鏈接關系圖表達數字樣機模型的鏈接關系。

模型鏈接關系RML(relationship of model link)表達為：RML={O,R},O=(ei,ej)∪(px,py),ei,ej∈E(其中E=EL∪ER,EL為模型中的幾何元素,ER為外部引用元素集);p x,p y∈P(其中P=PA∪EP,PA為模型中的參數集合,EP為外部引用的參數集合);EL,ER,PA,EP ?M,M={m1,m2,…,mn}為數字樣機模型集合,R={rk|rk→(ei,ej)或(px,py)},若rk→(ei,ej)或(p x,p y),且rk≠?,則元素ei和元素ej之間或參數p x和p y之間存在鏈接關系r k,即它們所在的數字模型之間存在模型鏈接關系。模型鏈接關系圖 RGML(relationship graphic of model link)表達為 ：RGML=(V,R,T,C),其中頂點集V={e1,e2,…,em}∪{p1,p 2,…,p n}為模型中的幾何元素集合和參數集合的并集;邊集R表示模型幾何元素或參數之間的關聯關系,R={e=(ei,ej)|e1,e2,…,em}∪{(p x,p y)|p 1,p 2,…,pn},ei,ej∈ E,p x,p y∈ P;T={t→(ei,ej)∪(p i,p j)|t1,t2,t3,t4}表示鏈接關系的類別,t1,t2,t3,t4分別代表約束鏈接、概念鏈接、上下文鏈接和參數鏈接4種鏈接;C={c→(ei,ej)∪(pi,p j)|c1,c2}表示鏈接關系的特性,c1,c2分別代表“0”和“1”,“0”表示“對等” ,1 表示“被引用”。圖5所示為一個典型的數字樣機模型鏈接關系圖,①為M1與M 3中兩個實體間的約束鏈接;②為M1和M 2中兩個幾何圖形之間的概念鏈接;③為M1和M4中兩個幾何元素之間通過外部引用ER建立的上下文鏈接;④為M2和M4中兩個參數之間通過外部參數EP建立的參數鏈接。

圖5 數字樣機模型鏈接關系圖

在直升機設計中,數字樣機模型鏈接的選用原則為：約束鏈接是零部件之間進行裝配或零件內部元素進行約束而建立的鏈接;概念鏈接是非裝配環境下模型間的內外部鏈接,用于建立設計與設計或設計與制造的上下游關聯;上下文鏈接是在數字樣機上下文環境中,模型之間引用外部模型元素作為參考而建立起來的鏈接,用于在數字樣機有依存關系的模型之間建立關聯;參數鏈接是為參數化驅動或參數共享時所建立的鏈接,用于將子系統設計為一個參數化的裝配體。

2.4 數字樣機模型鏈接的求解

直升機各系統相互擠占有限的機體空間,本文通過數字樣機模型鏈接的求解對零部件數字樣機之間的相互影響進行分析,快速響應設計的動態變化,實現數字樣機設計的求解,以提高優化和更改效率。為此,設置鏈接狀態屬性和求解邊界,將鏈接狀態分為同步、不同步、半同步和缺失四種狀態,用于跟蹤和控制鏈接關系。求解邊界包括模型數量、模型屬性、模型所屬系統和模型成熟度等,用于搜索鏈接關系鏈中符合特定邊界條件的模型。模型鏈接關系求解算法從某一模型開始,建立求解模型隊列,根據邊界條件和鏈接狀態,遍歷數字樣機模型鏈接關系圖,從中搜索出與輸入模型連通的鏈接關系子圖,找到輸入模型變化后所影響的全部數字樣機模型,以便有針對性地更改設計。

3 應用分析

中國直升機設計研究所在某型直升機的設計過程中,采用了直升機數字樣機區域化上下文設計方法,設計員運用嵌入在 PDM(product data management)中的區域化上下文設計系統開展設計。以某型直升機的某框設計為例,其所在區域為〈(4793.9mm,-1123.6mm,801.2mm),(5095.7mm,1123.7mm,2768.8mm)〉,如圖 6a所示,從系統中搜索該區域的上下文關聯模型,得到操縱、環境控制、機體結構、液壓和航空電子等系統的數字模型471個,其中成品數字模型29個。全部數字樣機模型如圖6b所示,這些模型當中與該框相關的鏈接包括裝配約束鏈接、系統在框上的定位孔上下文鏈接、框參考全機骨架模型的概念鏈接以及框與其他結構件之間的參數鏈接共183個。

圖6 某型機某框所在區域的上下文關聯模型

中國直升機設計研究所運用直升機數字樣機區域化上下文設計方法,建立了直升機數字樣機區域化上下文設計流程,與傳統的數字化設計方法相比,在某型直升機研制中縮短了數字樣機上下文設計和干涉檢查的時間,系統優化和零組件協同更改的周期明顯縮短,應用效果如表1所示,其中區域級是指含5000～8000個區域節點的級別,零組件平均含5～10個零件。

表1 應用效果對比

4 結束語

通過數字樣機區域化上下文設計方法,設計人員不僅能夠準確、快速地加載所關注區域內的上下文模型,而且能夠利用模型鏈接關系的求解進行實時的關聯影響性分析和快速更改,提高了直升機設計效率,縮短了設計周期。

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