基于VPM的教練機三維協同設計技術應用研究

趙海超，王 強，劉 敏

(洪都航空工業集團，南昌330024）

基于VPM的教練機三維協同設計技術應用研究

趙海超，王 強，劉 敏

(洪都航空工業集團，南昌330024）

隨著CAD技術的發展，教練機的設計方式和設計手段發生了巨大變化。本文探討了基于ENOVIA VPM平臺應用CATIA軟件三維協同設計技術，分析了教練機三維協同設計相關技術，著重介紹了三維協同設計技術在教練機設計中的應用。

教練機；協同設計；VPM

0 引言

教練機設計包括機動性、操縱性、穩定性、壽命、可靠性、成本以及可制造性等多種因素，其設計和制造周期長，參與設計的專業眾多，工程設計和管理復雜。盡管傳統的2D/3D CAD軟件已經得到廣泛應用，但由于專業之間設計周期的不同，設計人員之間沒有統一的設計平臺，導致經常出現錯、漏、碰等問題；當一個環節出現變更時，反饋周期長，影響工程的設計進程和產品質量。而基于ENVOIA VPM系統平臺能夠為各專業設計人員提供一個基于網絡化信息共享的平臺上進行三維協同設計，可有效解決傳統2D/3D CAD軟件功能的缺陷。

1 教練機三維協同設計相關技術

協同設計是指企業內部不同部門、不同專業甚至同一項目的不同設計單位之間進行協調和配合工作。教練機設計參與專業眾多，有總體、結構、強度、航電、機電、飛控和動力系統等專業。協同設計是一個系統工程，除了設計功能外，還具有管理功能，要實現教練機設計專業內和專業間高效的三維協同設計，需要從三維設計功能和信息共享管理上關注以下問題的解決。

1.1 骨架模型設計

在教練機完成概念設計后，得到了教練機的結構布局和初步的零部件布置方案，在CAD軟件中以點、線、面及各類基準等幾何元素加以表示，這些幾何元素構成了教練機的骨架模型。它是一個具有多級抽象層次的裝配級設計模型，綜合了概念設計和零部件詳細設計。骨架模型規劃了整個教練機的總體結構，零部件的基本空間定位，以及各零件之間的裝配關系。在建立骨架模型的同時，完成產品向具體裝配結構模型的轉換。骨架模型必須是可控的，用于支撐整個模型，是模型設計的脊梁柱。教練機結構件、設備、管路等均要直接或者間接的依賴于骨架模型。骨架模型的更改后，與之關聯的零（部）件能夠自動更改。

通過骨架模型反映出產品的功能要求和設計意圖。此時的骨架模型是一個全局化的模型，既是總體設計的結果，又是零件設計的起點，詳細設計階段的工作是通過這些基準特征信息完成各個零件的實體建模，完成由裝配概念模型到產品實體模型的映射。

骨架模型的核心是要理順模型之間的從屬關系，骨架模型不但要能夠有效驅動零（部）件模型，同時應盡量簡潔。在平面設計里，只有結構本身的協調工作，而在三維設計里，三維模型非常龐大，而且各專業并行協調工作。這是平面設計和三維設計的一個重要區別。如果采用分散式的自下而上的建模方法，各專業之間的協調信息需通過數據交換而不能直觀的獲得相關數據和信息，導致設計效率較低。

在如此龐大的三維模型中，采用自上而下建模方法的骨架模型是非常有效的組織形式，它可以避免分散的自下而上的建模方式的主要缺點，同時又不失靈活性，通過劃分骨架模型設計權限，實現并行協同工作。

1.2 統一的基準、參考和三維模型

當前，設計變更無法及時共享，導致與之相關的設計得不到最新的參數信息而產生錯誤。對于數字化協調設計而言，數據從建立開始一直到整個教練機設計周期均被共享，設計者之間可以相互參閱，即時發現設計中的問題，這樣對提高產品設計質量、縮短設計周期有很大的好處。

教練機三維協同設計需要統一的數據源，通過統一管理模型信息，保證各專業在最新版本的三維模型上工作，任何專業的修改對其他專業的影響能及時體現，同時方便定義角色、分配權限，防止越權修改和誤操作等。

1.3 總體、結構和航電等專業三維設計和數據關聯

雖然教練機的設計采用了基于三維的專業CAD軟件，但是專業之間是以二維圖紙及說明文檔形式傳遞設計信息。因此，下游專業應用該信息時必須對上游專業信息重新理解和構造，這樣無法保證設計依據的即時性和有效性，設計變更時修改工作量大。而三維模型容易理解，無歧義，各專業三維模型可以關聯，設計變更快。

在三維設計方面，當前業內采用UG、CATIA進行三維建模，但不同專業之間沒有統一，雖然可以完成教練機的三維設計，但不能保證設計關聯性，例如，由于總體理論外形更改，下游結構設計的零件模型是不能自動及時更新的。因此，必須采用統一的設計平臺，并且保證設計數據的關聯性。

1.4 設計結構、參數、關聯信息的管理

在傳統的2D/3D設計中，零件的表達與其相關的設計參數無法完全放在一起，當然也沒有直接的聯系，這些技術資料的保存和更新工作都很繁瑣。

數字化協同設計的三維模型含有大量參數和關聯信息，將數據庫技術和三維設計技術結合，能夠深入到三維模型內部，便捷地提取這些信息進行查詢、統計和管理等。

2 某型高教機三維協同設計應用實例

2.1 ENOVIA VPM平臺

VPM以設計產生的數據為核心，實現對產品相關的數據、過程進行集成管理的技術。VPM的核心在于能夠使所有參與項目開發的相關人員在整個產品周期中自由瀏覽或共享產品相關的同構或者異構數據。ENOVIA VPM系統是為實施基于CATIA的在線設計而搭建的協同設計平臺，對存放在服務器中結構化的數據進行設計任務的分解與分配、設計數據的動態協同和歸檔、設計模板的管理與共享。三維數字化設計具有可視的特點，可以大大提高平面設計的效率，改善設計質量；三維數字化設計具有關聯性、參數化的特點，可以大大減少重復勞動，逐步進行數據挖掘和知識積累，作為開展知識工程，創建學習型組織的信息平臺；三維設計具有實時協同、在線設計的特點，可以提高協同工作的效率，保證數據一致性和實時性，縮短設計周期，便于歸檔和即時的解決問題。ENOVIA VPM平臺如圖1所示。

2.2 骨架模型設計

骨架模型從功能上可以分為理論站位骨架和理論外形骨架。從層次上分為總體骨架、專業骨架，以及構件/零件骨架。骨架模型采取多級別的組織形式，總體控制骨架由總師確定統一發布，總體骨架模型發布到各專業組后，各專業組通過關聯引用總體骨架，建立自己本專業組的控制骨架，在專業骨架模型的基礎上，進一步細化構件/零件的骨架。

例如某型教練機總體設計人員根據戰術技術要求，建立的理論外形骨架模型，并根據飛機布局需要建立總體站位骨架模型，通過VPM平臺傳遞給相關專業設計人員。圖2表示了機翼骨架模型與總體骨架模型之間的關系；圖3表示的是整個機翼的骨架模型及其之間的關系；圖4表示的是機翼上各系統與機翼骨架模型的關系。

圖2 機翼骨架模型與總體骨架模型的關系

圖3 機翼骨架模型之間的關系

圖4 各系統與機翼骨架模型的關系

2.3 應用CATIA軟件進行教練機三維設計

常用的三維設計軟件有 UG、Pro/E、CATIA、CAXA等，以達索的CATIA最具代表性，也是波音、空客和我國航空工業使用的主流三維設計軟件。

在使用CATIA建模時，為了做到協同關聯設計，首先要對CATIA做一些必要的設置（見圖5），并且相關聯的零件需在一個父系裝配下進行關聯設計（見圖6）。其次需做一些必要的要求：一是禁止啟用混合模式，因為啟用混合模式相當于設計過程打上了時間標簽，導致零件難于更新。二是禁止引用未發布的元素，引用未發布的元素，鏈接容易斷開，難于做到自動更新。三是零件之間盡量不做相互引用，零件間的完整草圖禁止引用，零件之間相互引用，容易引起死循環，關系會混亂，難于更新，引用完整草圖也是同樣的道理。

由于加工方法的不同，建模方法也不同。機加、鈑金、復合材料、管路系統、電氣系統的設計必須使用不同的工具。在建模方面，CATIA提供了機械零件設計模塊、航空鈑金模塊、復合材料設計模塊、管路設計模塊以及電氣系統設計模塊。圖7為CATIA V5R18的零件設計模塊的應用界面，窗口中顯示的是一個已經完成三維標注的零件。其內容包括了3個部分：零件的幾何模型、零件的尺寸和公差標注和零件的結構樹。除了尺寸和公差外，還包括零件的注釋說明、零件加工工藝過程所必須提供的產品描述性定義信息、裝配連接定義等。

圖5 CATIA關聯設計選項設置

圖6 同父系下的關聯設計

圖7 基于CATIA的零件設計

2.4 應用ENOVIA VPM管理數字化教練機零部件模型和參考

ENOVIA VPM將教練機三維數字模型存儲到數據庫和電子倉庫服務器上，定義統一的命名規則、分類和屬性，同時為設計人員賦予不同的訪問權限和規則等，來實現數據共享和協同設計。圖8是ENOVIA VPM中零件關聯設計示意；圖9表示的是查找某個零件影響來源結果，即零件間的關聯關系。

ENOVIA VPM集成CATIA后，獨立自設計變成了集中在線設計，能夠發揮以下優勢：

1）確保設計數據的最新性和有效性，某個數據的更改，其他設計人員能夠立刻得知，保證即時協同，減少設計數據更新的延誤性和不準確性。

2）唯一的工程設計結構樹。所有的設計人員都共用同一個教練機設計結構樹，保證數據相互參考和引用。

3）加強數據安全管理，規范數據存取機制。

圖8 ENOVIA VPM零件關聯設計

總之，ENOVIA VPM使每個設計人員在教練機的整個設計過程中都能使用統一數據庫和最新版本的模型，保證設計數據的一致性。

3 結 語

基于ENOVIA VPM平臺，應用CATIA軟件進行教練機三維協同設計與傳統2D/3D設計相比具有很大優勢：

1）設計更直觀形象，各專業間的數據交流更容易和方便。

2）避免2D平面設計、3D獨立設計出現的盲區，最大限度的減少更改過程中出現漏改，錯改。

3）上游數據的變更使下游零部件/構件同步更新，大大節省工作量。

4）通過骨架模型的控制，可以做到全機協同設計工作：如強度通過調節骨架模型來控制機翼結構主要傳力系統和主應力水平，系統通過骨架模型進行安裝協調，同時結構通過骨架模型進行零部件設計，從而大大提高工作效率。

[1]劉俊堂，劉看旺.關聯設計技術在飛機研制中的應用.航空制造技術，2008.14.

[2]曾剛.協同設計制造與 CATIA.CAD/CAM與制造業信息化，2008.1.

[3]劉紅珍，苗衛東，張華.三維協同設計方法及其應用.車輛與動力技術，2008.1.

>>>作者簡介

趙海超，男，1982年11月出生，2008年畢業于西北工業大學，現從事結構設計工作。

版權聲明

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《教練機》編輯部

Application Study on 3D Correlative Design Technique for Trainer Based on VPM

Zhao Haichao,Wang Qiang,Liu Min
(Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang 330024)

The design methods and means of trainer have been changed a lot with the development of CAD technique.This paper discusses the 3D cooperative design technique for trainer with application of CATIA software based on ENOVIA VPN.It also analyzes the correlative technique of 3D cooperative design for trainer and with the emphasis application of 3D cooperative technique in trainer design.

Cooperative Design;VPM;Trainer

2011-07-09）