基于三維設計環境下某型教練機管路系統設計技術

張石英

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

隨著計算機信息技術的飛速發展和我國飛機制造業數字化并行工程應用工作的開展，數字化設計技術在飛機研制中的應用有了突飛猛進的發展。全面采用數字化設計技術已經成為目前大部分制造企業，特別是軍工制造業解決傳統飛機研制模式不足的重要手段之一。在此大環境影響下，飛機管路系統數字化設計也成了飛機數字化設計的關鍵環節。

飛機管路零件的制造技術水平的提高也對管路系統設計不斷提出新的需求。近幾年來，國內外均提出用數字量即CATIA三維數模替代模擬量的重要性。過去導管設計與制造之間主要采用模擬量實樣進行傳遞,嚴重影響信息傳遞精度和效率,采用導管三維建模可以極大的提高導管的設計速度、信息傳遞精度和效率,進而提高導管零件的成形質量和設計制造效率[1]。數字量的CATIA模型代替傳統的標準實樣，實現了產品設計、仿真優化、成形制造、檢驗全過程的數字化信息傳遞[2]。以模線、樣板等模擬量為制造依據的協調方式不再能完全滿足現代飛機的研制要求，以數字量為制造依據的協調方式逐漸成為現代飛機研制的主流。在此情況下，飛機管路的三維數字化設計技術已成為現代飛機協同研制工作不可缺少的一部分。

本文針對飛機管路系統設計技術的應用情況，提出了管路數字化設計技術應用方案，闡述了實現飛機管路系統數字化設計的技術方法，對推進導管設計的全數字化有重要意義，也為后續機型管路系統的數字化設計工作的順利開展起到指導和實施的作用。

1 飛機管路數字化設計技術應用分析

1.1 國內外飛機管路數字化設計技術應用現狀

1986年，美國波音公司開始采用三維數字化設計技術對747-400液壓管路系統進行設計。作為世界上第一個采用全數字化定義和無圖紙生產技術的大型飛機項目，波音777飛機開發、研制、制造、一次試飛成功的根本途徑就是采用了數字化設計技術[3]。

近年來，國內飛機導管數字化制造技術發展迅速，面向制造導管三維快速建模、導管數控彎曲過程建模與有限元仿真技術在各大飛機制造廠開始應用，配合現有的數控彎管機、激光矢量測量機，不僅大大縮短了工藝準備時間，還優化了工藝參數，提高了產品質量。上海飛機設計研究院在新支線飛機ARJ21的研制過程中，全機設計100%采用三維數字化定義和數字化樣機，導管以三維數模發放。成都飛機制造廠在某運輸機研制過程中，導管以三維數模為依據，直接將CATIA產品數模轉換為工藝數模，生成機床數控代碼，實現了數控彎管和激光測量檢驗，導管零件全部合格交付。

管路系統的數字化設計在縮短產品研制周期、實現飛機數字化設計全過程方面已經成了不可忽略的一個關鍵要素之一。

1.2 傳統的導管制造模式分析

在飛機導管制造方面，傳統的導管制造通常采用“先取樣后生產”的模式，用實樣作為制造依據。導管設計的實樣采用二維圖紙，僅僅劃出示意圖，無空間走向。制造部門通過取樣制造夾具后進行導管生產，存在諸多的問題。比如：

1）實樣取制周期長，勞動強度大；

2）實樣傳遞制造依據，無法保證質量；

3）反復取樣，返修夾具，生產被動，管理不便；

4）無法滿足現代飛機CAD/CAM數字化制造的需求。

針對傳統導管制造方法存在的問題，為了縮短設計周期，提高數控彎管機的利用率，提高生產效率，導管的數字化制造對設計部門提出了新的需求即管路系統的數字化設計。唯有從制造導管的源頭出發，而制造導管的數據信息源頭就是導管零件，它為后續的模具設計、彎曲工藝分析、成形過程的分析與數值模擬等工作提供了基本信息源。因此采用導管零件的三維數字化設計建模，改變信息流的傳遞方式由原來的模擬量轉變為數字量信息傳遞，可有效解決上述問題。

2 飛機管路系統設計技術應用方案

2.1 飛機管路系統設計概況

飛機管路系統作為傳輸能量工作介質的工作單元，敷設在全機各個部位，是飛機產品中不可缺少的部分，主要包括液壓系統、燃油系統、氧氣系統、空調系統、航空儀表管路等等。其工作環境比較嚴酷，高溫區、高振動區、外露部位均有。有些導管還需經常拆卸。隨著飛機飛行速度的不斷提高，飛機高度的增加，將導致管路內的工作介質壓力提高，流量增大及工作溫度上升。這一切的因素都將給管路系統數字化設計帶來一定的難度。

2.2 背景分析

從設計角度考慮，為了縮短設計周期，飛機研制采用三維數字化設計手段建立電子樣機，采用數字化并行工程。在此形勢下，飛機管路系統設計需要從技術上進行改進。

從制造角度考慮，傳統的導管建模方式采用UG軟件通過創建關鍵點構造曲線，再以曲線為軸線用TUBE命令做出導管。而傳統的導管制造方式是靠模線樣板來手工制造，這種設計方式是可以的。但是應用數控彎管機后，由于數控彎管機只能加工直線和圓弧的導管，生產制造部門在使用數控彎管機加工生產數控彎管時，這種只憑借樣條曲線已經不能滿足工藝部門采集數據、數控彎管成形的要求。由此對管路的設計方式提出了新的要求。

2.3 管路數字化設計技術應用方案

要實現管路系統的數字化設計，首先需要解決管路設計環境的問題。其次考慮的是實現管路數字化設計的技術途徑問題。一方面要淘汰傳統的導管實物取樣環節，實現模擬量向數字量的轉換；另一方面遵循飛機協同設計的思想，在保證產品質量的前提下，縮短飛機研制周期。因此設計環境采用CATIA軟件和VPM系統平臺，質量控制方面以CATIA后臺參照行業標準和企業規范開發定制的環境作約束，以CATIA三維建模技術為基礎，通過干涉檢查、裝配仿真等手段保證管路系統的設計質量，最終實現飛機管路系統數字化設計，滿足現代飛機全機數字化設計研制的要求。

3 管路數字化設計的技術方法

管路的數字化設計不僅便于電子樣機中成附件、結構件及系統導管之間的協調，也為制造部門進行數據采集、數控彎管成形提供可靠的、最優的數據源。因此在設計前既要照顧到行業標準、企業規范以及管路設計原則的執行，還需要考慮到工藝制造資源的要求，比如數控彎管機彎曲模彎曲半徑的種類，優先設計數控彎管機能夠彎制的管路。因此，數字化設計工作要圍繞如下幾方面展開。

1）飛機管路系統導管規格各異，管路設計過程中如何保證設計的管路數據符合現有企業標準、規范和需求；

2）從制造角度考慮，如何保證下游工藝部門從管路數模中提取到最合理的數據，保證導管的可制造性和可利用率；

3）從并行設計方面，如何保持這些復雜的導管零件能夠快速接收到上游數據更改通知并能夠在保證不受影響的零件無變化的基礎上自動更新；

4）如何保證管路系統與結構之間、管路系統與管路系統以及管路系統內部不發生干涉并滿足間隙的要求；

5）如何驗證發放給下游的導管零件設計的合理性，并保證裝配的可達性以及可維護性。

3.1 管路數字化設計環境定制

在飛機管路系統設計過程中，規則和標準的輔助決策功能保證了管路設計結果的工程合理性。

CATIA管路設計模塊作為一個通用模塊，沒有遵循管路零件建模的行業標準也沒有一定的企業標準做約束。因此設計時無法調用國內企業相關標準的管路標準件，導管公稱直徑、轉彎半徑、導管端頭形式以及材料等屬性也無法滿足國內企業的設計要求。因而管路數字化環境客戶化定制已成為管路數字化設計工作展開的前提。

CATIA管路模塊中的受控參數文件信息存放在后綴為catalog的標準和規則庫文件中，不同的庫文件存放著不同的屬性信息，如管路的彎曲半徑、公稱直徑、端口形式、壁厚及材料類別等見圖1。每一類屬性信息都關聯了不同參數信息的txt文本文件。比如定制管路的彎曲半徑，參照飛機管路設計要求并結合數控彎管機現有彎曲模彎曲半徑，修改TubingSpecificationsMM.catalog文件中控制彎曲半徑的腳本文件，實現不同參數的控制見圖2。

圖1 庫文件

圖2 轉彎半徑控制窗口

3.2 導管實現數字量轉換的技術途徑

導管進行三維建模時，應優先考慮到導管零件制造和管路工藝的實施。導管零件制造工藝要求是基于導管制造資源的限制，為了保證導管的可加工性和導管加工質量而提出的，這些參數主要包括導管直線段長度、彎曲半徑、導管彎曲數量等。

導管的建模方式很多，需要進行規范化建模，才能為下游工藝部門提供合理、有效的數據源。數控彎管機只能加工直線和圓弧組成的導管，規定的導管坐標有3個，分別為X、Y、Z，分別代表導管的直線段長度、平面轉角即彎曲角度以及空間轉角見表1。傳統的建模方式無法提取到這些數據信息，已經完全不符合工藝制造的要求。

表1 數控彎管數據

按照企業標準規范需求進行客戶化定制后的CATIA管路設計模塊符合制造部門的要求。在導管零件建模過程中，定義了導管的公稱直徑、彎曲半徑、直線段長度以及空間坐標等信息見圖3，這些信息可以直接以報表的形式從CATIA中導出，符合數控彎管機所需要的條件，從技術上滿足了目前傳統的模擬量向數字量轉變的需求。

圖3 導管三維建模界面

3.3 關聯設計思想在數字化設計中的應用

飛機設計過程是一個不斷更改和迭代的過程，上游設計的更改往往會引起下游設計的更改。傳統的管路設計過程中，由于設計操作都在本地進行，這種上下游設計的影響關系往往通過間接的方式進行傳遞，如通過協調單告知，通過共享數據模型，或者用電話進行溝通和協調；在更改的過程中，通過元素的替換等方法實現。有時結構件有了相當的改動，可能導致管路設計的零件完全無法使用。這種工作方式導致了設計更改的信息不能及時傳遞到下游，人工控制更改操作麻煩，且容易發生數據版本的不一致性。

在飛機數字化協同設計大環境的引導下，管路系統采用了基于骨架模型的關聯設計方法。在構型管理和工程更改控制下，統一管理飛機產品結構樹，共享一個骨架模型，實現管路系統不同專業設計員之間的協同設計，結構零件的更新會通過骨架模型的傳遞帶動當前管路設計中加載的數模進行更新，可以隨時了解自己與其他系統之間是否存在干涉現象，及時修改管路的排布。

管路系統采用骨架模型的關聯設計流程如下：

骨架模型采用樹形結構，總體部門和結構部門按產品結構的組織發布成附件、設備及管路安裝定位基準，如定位點和定位軸線等。

系統部門負責人參照上游發出的數據，直接復制上游發布的元素，復制連接結果 （paste result with link）到管路骨架中，創建各分系統的骨架模型，建立管路與結構的關聯關系。系統部門管路設計人員參照各分系統的管路骨架模型，安裝成附件、設備及支架，依據設備及支架進行管線鋪設見圖4。

圖4 結構與管路的關聯設計

3.4 數字化設計檢查工具的應用

3.4.1 管路系統的干涉檢查與區域分析

目前導管兩端采用的連接方式是由平管嘴和外套螺母組成的擴口連接方式，根據要求導管與連接件之間需貼合，管路系統因其功能以及傳送介質的不同，與飛機機體各部段要保持間隙也有所不同。通過選擇飛機管路系統或某一功能區域的數據，對管路及其周圍結構等數據進行干涉檢查和區域分析，確定發生干涉區域并對問題區域加以注釋，提前暴露問題使得設計更改工作執行起來更加方便，因此靜態干涉檢查與區域分析審查尤為重要。

1）干涉檢查

利用CATIA的Clash功能，結合數字樣機環境對管路零件、成附件、支架以及設備等管路系統內部、管路系統與結構以及系統與系統之間進行干涉、間隙以及貼合信息的檢查，分析產品之間空間距離檢查以及指定一定的余量，分析各個產品在該距離之內的干涉情況。

當系統發現存在干涉情況或者間隙不滿足設定條件時予以報警，并分別顯示出碰撞、接觸以及間隙低于規定值的數量，并標示出干涉區域和干涉量，以幫助設計人員查找和分析干涉原因（見圖5）。

2）干涉分析

管路系統設計需避免干涉，干涉主要分以下3種情況：

（1）軟干涉，2個零件沒有接觸，但其最小距離小于預先規定的間隙范圍；

（2）硬干涉，2個零件重疊在一起發生相交現象；

（3）包容干涉，1個零件完全包容在另1個零件的內部。

在管路系統的所選部件的干涉檢查中，干涉數目中包含導管與周圍環境的接觸干涉，此類干涉不可避免，通過結果欄顯示值可迅速分析裝配的干涉程度，以避免不必要的干涉。

通過這種干涉分析，可以提早發現問題并進行修正，有效地減少后期因設計錯誤引起的更改，從而提高飛機質量，降低成本。

圖5 某液壓系統自身干涉檢查示意圖

3.4.2 區域分析檢查

在裝配環境中，為了保證設計的精準度，CATIA的電子樣機空間分析模塊進行距離計算、自定義區域分析以及實時剖切檢查，測量兩個零件之間的最小距離或者計算并顯示兩個零件給定的區域之間的部分，比如檢測管路的可拆卸性，工具焊接、扳手擰緊等操作維修工具的可達性等等（見圖6）。

圖6 導管與設備距離檢查示意圖

3.4.3 干涉檢查工作開展方式

干涉檢查建議按照專業室內 (即管路系統內部)檢查——專業室間(即管路系統與周圍結構等)分級展開檢查。專業室內各負責人按照職責檢查自己所設計范圍內即系統內部的管路設計干涉情況。

專業室檢查，考慮到管路的分布廣以及硬件設備性能的因素，建議干涉檢查和分析時，可以打破專業和系統的界限，按區段進行干涉檢查，檢查系統間以及系統與周圍結構的干涉情況（見圖7），提高干涉檢查的效率和質量，以避免因空間不足導致導管無法安裝。可將檢查結果中確實需要更改的問題以標注的方式，圈出干涉部位，并輔以文字描述。

圖7 某液壓系統與結構等區域檢查示意圖

3.5 數字化設計裝配仿真技術的應用

導管安裝部位空間有限，導管布置錯綜復雜。部分導管需要穿過多層結構，裝配過程復雜，在飛機管路設計過程早期需要使用飛機結構、管路、成品附件三維模型進行導管裝配過程的三維動態仿真，通過模擬裝配仿真和干涉分析等動態仿真分析進行多次協調，以優化和完善管路的設計過程。

利用管路系統資源在CATIA的DMU裝配仿真環境，定義、模擬和分析管路系統的裝配過程和拆卸過程，通過這種真實地模擬飛機管路系統的裝配過程，檢驗導管是否有安裝通路，明確空間是否滿足裝配要求。也驗證了管路維護操作的可行性（安裝、拆卸）及管路設計的合理性。通過導管的運動軌跡驗證導管安裝操作中人或工具的可達性。在數據發放前發現并解決管路設計以及后期實際裝配過程中的問題，從而實現管路系統的優化設計和變更，避免后期因設計原因產生的更改。有效地提高產品質量、降低產品研制風險、縮短裝配周期、降低研制成本。

4 應用效果

目前，這種飛機管路系統數字化設計技術已經在某型教練機中得到了廣泛的應用。在某型教練機以及后續改進機型的研制中，采用了三維數字化設計技術進行飛機管路系統的設計、工藝設計和生產制造，并完成了樣機協調。

某教練機以及后續機型應用三維數字化設計技術完成飛機管路系統的設計，不僅實現了飛機全機電子樣機的數字化設計，而且通過使用三維數字模型代替實物模型，實現了設計數模與工藝數模一體化。提高了飛機管路系統設計的效率，縮短了飛機研制周期。與傳統設計方式相比，飛機全機管路系統的數字化設計得到了全新的變革。

5 結論與展望

某教練機管路系統采用了數字化設計方法，提高了設計效率，縮短管路系統設計周期，實現了某教練機的全機電子樣機的全三維數字化設計。

但是由于設計方面導管安裝接口以及其它連接件如成附件、固定支架等零件建模時存在誤差，制造方面由于制造、裝配時產生的誤差，再加上部分設備與周圍結構之間的間隙不足等因素，導致按三維數模生產的部分導管在實際裝配中存在問題，這就使飛機導管制造仍不能徹底放棄取樣這一傳統方式。因此，要全面提高導管的利用率，實現真正意義的數字化設計與制造可能還需要很長的摸索過程。采用全機導管數字化設計是現代飛機完成全機數字化設計技術的發展方向，如何提高導管的可利用率，真正實現導管設計與制造的一體化是我們今后研究和探索的目標。

[1]李振強等.導管三維快速建模及模型預處理技術研究.制造業自動化，2007,29(3).

[2]毛燕等.數字化制造技術在ARJ21飛機導管研制中的應用.鍛壓技術,2008,33(4).

[3]李光俊.飛機導管數字化快速敏捷制造技術.中國制造業信息化,2009(5).