基于MBD的飛機數字化設計技術應用分析

摘 要：目前國外數字化技術的應用又有了新的發展，以波音公司B787飛機的研制為代表，已經全面采用了基于數字模型定義（Model-Based Definition，簡稱MBD），并取得了成功。我國的航空工業在新一代飛機研制中也開始應用MBD技術，并取得了突破性進展。為了使得各個業務環節充分利用已有的MBD單一數據開展工作，文章針對如何將MBD技術深入地應用到飛機設計環節，從多方面進行分析闡述。

關鍵詞：MBD技術；設計面向制造；數字化樣機

引言

所謂的基于模型定義（MBD）全三維設計技術，是將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品的三維模型中的先進的產品數字化定義方法。同時不能簡單的理解為尺寸和公差、制造信息的三維定義，實際上MBD是一套研發體系和標準，它涵蓋了精益思想、并行工程、設計面向制造、知識工程等研發思想，其目的是產品數字化研制的價值最大化。

1 設計環境

如何搭建基于模型的企業總體架構是數字化企業的發展前提。飛機設計中通常選擇ENOVIA LCA/VPM Navigate作為統一的數據管理支持環境，并與CATIA（達索公司開發的計算機輔助設計軟件）構建了產品并行設計環境，進行數據創建、存儲、查詢數據之間的關聯關系（如空間位置關系、從屬關系等）以及數據的導入/導出，記錄控制產品整個設計過程中的工程數據集信息，并實現MBD數字化定義產品數據的共享控制。同時MBD技術應用需要進行二次開發，將企業的設計理念、管理理念貫徹到實際的數據創建/管理過程中，搭建一個科學的現代化設計管理環境平臺。

2 設計面向制造

MBD數據一次創建多次使用，且模型是設計制造過程中的唯一權威數據，必須保證模型數據的正確性，即滿足客戶需求且可制造。其中可制造即創建的MBD模型能夠滿足制造應用的需求，該MBD模型在后續的生產中可以直接應用（如自動編程）。因此，在飛機設計的早期活動中，制造部門工與設計部門協調溝通，并將制造需求轉變為設計要求寫入設計規范手冊。

零件的幾何模型創建過程模擬實際加工過程。對于一個機加件，從生成簡單一個毛坯（PAD）開始，以“去除材料”的建模理念，通過凹槽、特征修飾或曲面分割逐步完成產品模型，為了提高模型的可編輯性，設計過程盡量遵循并行設計原則，如所有的凹槽特征形成單獨幾何體并裝配到零件幾何體中，加工刀具半徑、以及走到軌跡等限制元素須在凹槽結合體內部完成。參見圖1典型框肋零件的模型設計過程。

3 數字化樣機

3.1 數字化樣機的建立

基于MBD技術的數字化樣機（DMU）是采用自上而下的設計方法，逐步完善的三維產品結構。完整的數字樣機包含產品部件/全機零部件及其設備的完整數字信息模型（含屬性），包括結構件、機構件、系統件（含管路、電子部件等）、標準組件、成品件等，滿足產品結構和功能要求，可進行工程分析、優化以及數據管理。數字樣機演變貫穿飛機整個生命周期，其設計進展情況按項目設計階段計劃要求進行。

概念設計階段完成空間模型分配，建立初始幾何參考和理論線/面，工作包的界面控制數據，通過三維模型方案對比最終確定最優設計方案；初步設計階段主要是對設計方案的進一步優化，基準數據集和理論模線數據進一步演變并在該階段出口階段完成凍結空間配置模型進一步細化，發展成更加具體、詳細的部件；詳細設計階段需要完成零件/裝配件全三維設計，形成最終直到生產的MBD數據集。零件模型中使用點/線給出緊固件位置信息，對應裝配節點下安裝緊固件/標準件實體。

3.2 數字化樣機的管理

DMU建立過程在整個產品的研發、設計和零件建立原則中扮演重要角色。DMU建立過程的管理包括以下幾項任務：（1）成立技術支持團隊，輔助工程部門解決DMU研發和管理過程中的問題。（2）不斷完善DMU過程，將新技術貫徹到模型創建過程中。新飛機項目應從先前的項目吸取經驗，更新并提高DMU建立過程。（3）所有的設計員和相關部門使用統一的設計手冊和技術文件，以提高DMU質量。（4）根據飛機項目指定的零件編號系統對零件進行命名管理。（5）工程項目里程碑節點，對相關的DMU信息進行存檔，確保信息可追溯。（6）按要求進行三維模型和產品結構檢查，發現問題直接反饋設計員進行更改。（7）DMU數據的管理應嚴格符合研發部門的信息數據管理規則。這些任務從概念定義階段發起，并貫穿所有的設計階段。為了最大的優化DMU建立過程，需要創建產品結構樹，以顯示主要組件、構型項、裝配或工作包的高階層的分解。

4 MBD模型定義

MBD模型數據包括完整的模型定義信息、屬性定義信息、尺寸公差標注以及工藝技術要求注釋信息等。為了便于設計管理過程標準化，使用統一的模板進行創建零件模型進行定義。模型定義即幾何模型定義，其創建過程規范化、標準化，零件結構樹管理清晰有序。模型可以輕松的通過知識工程多次重復使用。屬性定義涵蓋了產品名稱、分類等級、材料、毛料尺寸、制造工藝、通用公差等，為了準確傳達更改信息為保證屬性信息在數據傳遞中的準確性，大部分屬性可以通過提供選項的形式，直接從填寫處的定制的下拉菜單中選取，并通過定制的屬性檢查工具確保信息填寫完整性和一致性。三維尺寸標注主要包括零件信息、附注、實體關聯相關標注三部分內容。其中零件信息直接與零件屬性關聯自動生成，涵蓋了制造工藝、材料、工藝狀態、表面處理、基本毛料尺寸、通用公差等信息，如果屬性更改，這部分信息自動更新；附注信息是根據零件實際情況從標準的附注文件中選取；實體關聯相關標注主要是在實體上標出的指定的形位公差、基準、定位孔尺寸等。同時要求所有信息通過多個規定的捕獲視圖直觀的呈現，以實現在激活捕獲視圖時，不需要做任何操作就能清楚的讀取設計信息。零件的升版、換號時，通過按規定給出更改視圖、制定的顏色標識傳達信息。

（1）快速設計。為了適應復雜產品快速、高效地研制需求，定義不同類型CAD數據的設計模板，編制相關建模規范、建立標準件/成品件實體模型資源庫、典型特征庫、材料庫、技術附注數據庫等，并創建基于MBD的數字化設計標準與規范以及知識庫。（2）關聯設計。數字化樣機創建過程中，理論模線/面和其他外部參考元素對應產品結構統一做成骨架結構樹進行管理，嚴格制定了關聯設計規范、界面共用元素創建規范以及對應管理規范和權限設置。

5 MBD標準檢查系統

Enovia CATIA/VPM設計環境中嵌入模型設計規范性檢查工具Q-checker，將產品設計的硬性的建模規范和標準制定成檢查文件清單對Q-check進行標準檢查設置。一方面在CATIA設計環境中可以通過手動激活程序進行標準化檢查，同時在Enovia LCA環境中進行后臺批處理標準化檢查。

6 結束語

數字化制造企業協同制造技術時代，要求在正確的時間傳遞正確的數據給正確的人，從以往的線性生產轉變為并行生產制造。基于MBD的飛機數字化設計技術，正是將為了MBD成為唯一的數據源，從設計、生產到服務，形成數據的反復迭代，因此，針對整個設計過程必須科學、標準化，為了下游制造及時提供準確的數據源。

作者簡介：段玲利（1982-），女，河南，大學本科學歷，工程師，研究方向：民機工程產品研發。