MBD技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 健，邱明星，蘇媛媛，田 靜，呂春光

MBD技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 健，邱明星，蘇媛媛，田 靜，呂春光

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

為解決MBD技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一和標(biāo)注信息管理等問(wèn)題，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)，制訂了獨(dú)特的通用+典型零部件MBD行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，考慮到知識(shí)信息表達(dá)和多領(lǐng)域應(yīng)用，提出了基于視圖的標(biāo)注信息（Def inition Based Model Views－DBMV）管理方法，使得3維MBD模型成為惟一有效的知識(shí)信息數(shù)據(jù)源貫穿應(yīng)用于產(chǎn)品的全生命周期，成功將MBD技術(shù)工程化應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

模型定義技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；知識(shí)表達(dá)；視圖；信息管理；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的產(chǎn)品知識(shí)信息，還是依靠傳統(tǒng)的2D圖方式表達(dá)和傳遞。隨著數(shù)字化技術(shù)手段的日新月異，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入全3D設(shè)計(jì)環(huán)境，同時(shí)工廠采用先進(jìn)的制造方法，大量高效自動(dòng)化的加工設(shè)備，使得產(chǎn)品2D信息表示與上游全3D數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游先進(jìn)的制造裝配已不相適應(yīng)。基于模型的定義（Model Based Definition-MBD）技術(shù)正是在該環(huán)境下發(fā)展和應(yīng)用起來(lái)，圍繞3D模型為核心進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等知識(shí)信息的表達(dá)，使得數(shù)字化技術(shù)高效地貫穿于產(chǎn)品的全生命周期。國(guó)內(nèi)外對(duì)MBD技術(shù)進(jìn)行了大量相關(guān)研究，如文獻(xiàn)[1]研究了虛擬裝配環(huán)境中3D標(biāo)注的應(yīng)用技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法；文獻(xiàn)[2]結(jié)合飛機(jī)行業(yè)MBD技術(shù)的應(yīng)用介紹了MBD技術(shù)的內(nèi)涵及應(yīng)用體系；文獻(xiàn)[3]介紹了MBD技術(shù)在設(shè)計(jì)制造協(xié)同過(guò)程中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[4]通過(guò)借鑒數(shù)字標(biāo)工協(xié)調(diào)方法，探討了MBD裝配模型的建模過(guò)程。

本文重點(diǎn)分析了MBD技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 MBD技術(shù)概述

MBD技術(shù)最早由波音（Boeing）公司提出，并在B737客機(jī)到最新的B787客機(jī)項(xiàng)目中逐步實(shí)施并發(fā)展成熟。波音公司在B737客機(jī)的研制過(guò)程中提出了MBD思想，以3D模型為核心，輔助2D圖紙進(jìn)行產(chǎn)品知識(shí)信息的表達(dá)，而在B787客機(jī)的研制中，將MBD技術(shù)完全貫穿應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期的各階段。隨著MBD技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制訂了由相關(guān)技術(shù)公司，以及UG、CATIA等CAD軟件公司參與的ASME Y14.41-2003 3D Digital Product Definition和ISO 16792-2006 Digital Product Definition Data Practices標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)MBD技術(shù)的應(yīng)用。

MBD技術(shù)是在傳統(tǒng)2D信息表達(dá)方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其發(fā)展過(guò)程如圖1所示。共分為4個(gè)過(guò)程，即2D工程圖→2D工程圖（主）＋3D模型（輔）→3D模型（主）＋2D工程圖（輔）＋3D MDB模型。MDB的核心思想是：基于3D數(shù)字化模型進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化信息的完整描述，即將設(shè)計(jì)和制造等知識(shí)信息共同定義表示在3D模型中，取消傳統(tǒng)的2D工程圖。MBD不是簡(jiǎn)單的3D模型加3D標(biāo)注，其需要將產(chǎn)品的各種知識(shí)合理地表示融入到3D模型，使3DMBD模型成為惟一數(shù)據(jù)源貫穿于產(chǎn)品全生命周期的各階段。

圖1 產(chǎn)品知識(shí)信息的發(fā)展過(guò)程

2 MBD技術(shù)應(yīng)用基本要求

2.1 MBD行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

MBD技術(shù)的應(yīng)用涉及到產(chǎn)品生命周期內(nèi)的不同角色單位，從設(shè)計(jì)源頭需要結(jié)合后續(xù)應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)實(shí)施，同時(shí)也要合理地表示出制造單位的加工、裝配等信息，這就要求在MBD的應(yīng)用過(guò)程中相關(guān)單位間需進(jìn)行密切協(xié)同，設(shè)計(jì)單位在產(chǎn)品的MBD設(shè)計(jì)過(guò)程中需將工廠的工藝方案融入其中，設(shè)計(jì)人員參與工藝，工藝人員參與設(shè)計(jì)，廠所協(xié)同應(yīng)用MBD技術(shù)。

由于MBD的應(yīng)用涉及到不同廠所單位，需要制訂統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)MBD技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品具有其獨(dú)特性，多是回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，零部件結(jié)構(gòu)形式比較獨(dú)特規(guī)范，現(xiàn)有的通用標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性。因此，參考國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合GB/T 24734，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的特點(diǎn)，制訂了獨(dú)特的通用+典型零部件MBD行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)（通用+典型零部件）MBD標(biāo)準(zhǔn)

此系列標(biāo)準(zhǔn)首先制訂了MBD通用標(biāo)準(zhǔn)，再針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)典型零部件的特點(diǎn)，分門(mén)別類(lèi)的規(guī)劃制訂零部件MBD標(biāo)準(zhǔn)，如葉片、盤(pán)、機(jī)匣等零部件標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)此種行業(yè)統(tǒng)一、獨(dú)特規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)形式，有效解決了MBD技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的共性和個(gè)性問(wèn)題。

2.2 MBD技術(shù)3D模型內(nèi)容

MBD技術(shù)的重要特點(diǎn)之一是其模型包含的信息面廣、知識(shí)信息量大，3D MBD模型不僅需要表示傳統(tǒng)2D模型所要表示的知識(shí)信息，還需針對(duì)其PLM特點(diǎn)通過(guò)PMI手段將設(shè)計(jì)、工藝等知識(shí)信息一體化融合。

3DMBD模型其數(shù)據(jù)集是以3D模型為核心，從知識(shí)信息和屬性信息2個(gè)方面進(jìn)行知識(shí)表示，如圖3所示。

圖3 3DMBD模型數(shù)據(jù)集內(nèi)容

圖中3D模型是指包含知識(shí)信息的3D設(shè)計(jì)模型，由實(shí)體幾何特征和輔助幾何特征構(gòu)成；知識(shí)信息是通過(guò)MBD技術(shù)以PMI手段進(jìn)行尺寸、公差、技術(shù)要求等知識(shí)信息的表示；屬性信息表達(dá)產(chǎn)品特征所需的不可見(jiàn)尺寸和注釋等信息。這些信息通過(guò)MBD技術(shù)以3D模型、模型屬性、PMI標(biāo)注方法共同融入惟一的3D MBD模型中。

3 MBD技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用

3.1 基于視圖的標(biāo)注信息管理

3D數(shù)字化模型通常使用圖層（Layer）、引用集（Component）以及組（Group）等方法進(jìn)行產(chǎn)品信息管理，如模型特征可以使用圖層進(jìn)行分類(lèi)，而同類(lèi)模型則可以使用引用集或組進(jìn)行管理，模型信息的管理歸根到底是為了信息表達(dá)明確和使用查看方便。

3D MBD模型其3D標(biāo)注信息作為產(chǎn)品知識(shí)的1種表達(dá)，已不僅僅是1種特征信息，其涵蓋到設(shè)計(jì)和制造等多個(gè)領(lǐng)域。在3D標(biāo)注信息的管理方面，需重點(diǎn)從知識(shí)信息表達(dá)和多領(lǐng)域使用2方面著手，因?yàn)?D MBD模型作為產(chǎn)品全生命周期內(nèi)惟一的知識(shí)信息載體，取代了原有的2D圖紙，需要傳遞2D圖紙的設(shè)計(jì)信息，同時(shí)又要便于設(shè)計(jì)與工藝人員的查看使用。本文提出了1種于基于視圖的標(biāo)注信息（Definition Based Model Views－DBMV）的管理方法。

基于視圖的標(biāo)注信息（DBMV）管理通過(guò)視圖工具將3D標(biāo)注信息與3D實(shí)體模型相結(jié)合，在3D環(huán)境中直接表達(dá)產(chǎn)品知識(shí)信息，同時(shí)為了便于查看使用和理解設(shè)計(jì)意圖，充分結(jié)合了原有2D圖紙的視圖使用習(xí)慣，使得產(chǎn)品知識(shí)信息和3D模型融為一體，DBMV的管理模型如圖4所示。

圖4 基于視圖的標(biāo)注信息（DBMV）管理方法

式中：vi為DBMV視圖；Vi（）為某種視圖的表示方式；I為知識(shí)信息；K為3D MBD模型知識(shí)信息。

3D標(biāo)注信息的DBMV管理方法創(chuàng)建的是產(chǎn)品知識(shí)信息的視圖集 DBMVs（DBMVs－DBMV set），該視圖集DBMVs由包含不同知識(shí)信息的子視圖vi組成，而每個(gè)子視圖vi是某類(lèi)或者某種知識(shí)信息的1種視圖表示Vi（）。

3D MBD模型根據(jù)信息內(nèi)容的多少，考慮到理解使用等因素，在3D環(huán)境中依據(jù)統(tǒng)一空間基準(zhǔn)被投影為多個(gè)視圖，在不同的3D視圖中進(jìn)行3D信息的標(biāo)注和管理，而對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)部信息可以直接剖切3D模型，在3D剖視圖中進(jìn)行知識(shí)信息表達(dá)，使用UG NX軟件應(yīng)用DBMV方法的實(shí)例如圖5所示。

圖5 DBMV應(yīng)用實(shí)例

DBMV方法將MBD技術(shù)融入設(shè)計(jì)過(guò)程中，建立了標(biāo)注信息的1種管理方法。設(shè)計(jì)人員通過(guò)DBMV以視圖集這一全新的方法構(gòu)思3D模型，表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)工藝人員通過(guò)理解查看DBMV視圖，理解模型知識(shí)信息。

3.2 標(biāo)注信息與特征的互聯(lián)性

基于MBD技術(shù)的全3D數(shù)字化設(shè)計(jì)，將知識(shí)信息與3D模型融為一體，使得標(biāo)注信息可以直觀反映在3D環(huán)境中，與此同時(shí)MBD技術(shù)提供了1種互聯(lián)機(jī)制，即將3D模型特征信息與標(biāo)注信息相互關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)和查看模型特征的同時(shí)可以明確其3D標(biāo)注所表達(dá)的知識(shí)信息，而在查看標(biāo)注信息時(shí)其關(guān)聯(lián)的3D特征可以直觀反映在3D模型中，如圖6所示。

圖6 3D MBD模型標(biāo)注信息與特征信息的互聯(lián)性

MBD技術(shù)以3D MBD模型為橋梁建立了標(biāo)注信息和知識(shí)特征信息的關(guān)聯(lián)機(jī)制，在查看3D標(biāo)注信息基準(zhǔn)A（Datum Feature Symbol A）時(shí)，其關(guān)聯(lián)的3D模型平面特征即會(huì)高亮顯示，同時(shí)在查看此平面特征時(shí)，其關(guān)聯(lián)的標(biāo)注信息也會(huì)突出顯示。

3.3 標(biāo)注信息的簡(jiǎn)化

MBD技術(shù)提供了1種全新的產(chǎn)品知識(shí)表達(dá)傳遞方式，3D模型為惟一準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，對(duì)加工制造來(lái)說(shuō)，使用MBD 3D模型可以直接讀取模型尺寸，自動(dòng)生成刀位軌跡建立數(shù)控加工程序，基于此種知識(shí)信息傳遞方式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于按照航標(biāo)要求的一般公差尺寸信息可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，即不進(jìn)行標(biāo)注，依據(jù)統(tǒng)一的航標(biāo)公差要求和3D模型進(jìn)行約束，而對(duì)于精確控制的尺寸則需要進(jìn)行詳細(xì)的3D標(biāo)注，以明確相關(guān)信息。

這種標(biāo)注信息簡(jiǎn)化方式可以有效地提高標(biāo)注效率，明確關(guān)鍵重要尺寸，同時(shí)給后續(xù)的加工制造帶來(lái)方便。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在深入理解MBD技術(shù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的獨(dú)特應(yīng)用特點(diǎn)，著重從設(shè)計(jì)角度研究了MBD的具體應(yīng)用技術(shù)，制訂了獨(dú)特的通用+典型零部件MBD行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得MBD技術(shù)在統(tǒng)一規(guī)范的要求下進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用。提出了基于視圖的標(biāo)注信息（DBMV）管理方法，并結(jié)合UG NX軟件將DBMV方法應(yīng)用于實(shí)踐，此方法將MBD技術(shù)與3D模型緊密結(jié)合，有效地解決了知識(shí)信息的管理、查看使用和傳遞等問(wèn)題。目前MBD技術(shù)已全面推廣應(yīng)用于某型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

[1]劉偉東，寧汝新，劉檢華.虛擬裝配系統(tǒng)中幾何精度三維標(biāo)注技術(shù)與方法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（8）：20-25.LIU Weidong，NING Ruxin，LIU Jianhua.3D geometric dimensioning and tolerancing(GD&T)invirtual assemblysystem[J].Journal of Computer Aided Design&Computer Graphics，2010，22（8）：20-25.(in Chinese)

[2]魯康.強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注體系推進(jìn)MBD深入應(yīng)用 [J].航空制造技術(shù)，2010（20）：54-57.LU Kang.Promote deeply application of MBD by strengthening standard focusing on systems[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010（20）：54-57.(in Chinese)

[3]馮潼能，王錚陽(yáng)，宋婭.MBD技術(shù)在協(xié)同設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2010（18）：64-67.FENG Tongneng，WANG Zhengyang，SONG Ya.Application of MBD in collaborative design and manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010（18）：64-67.(in Chinese)

[4]梁艷，馮國(guó)成，于勇.基于模型定義的裝配件數(shù)據(jù)組織及其實(shí)現(xiàn)[J].航空維修與工程，2010（6）：23-28.LIANG Yan，F(xiàn)ENG Guocheng，YU Yong.Data organization of MBD based assembly and its implementation[J].Aviation Maintenance and Engineering，2010（6）：23-28.(in Chinese)

[5]呂春光，邱明星，田靜.航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)建模方法研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2012，38（1）：29-32.LYU Chunguan，QIU Mingxing，TIAN Jing.Study of modeling method for aeroengine bypass duct[J].Aeroengine，2012，38 （1）：29-32.(in Chinese)

[6]田靜，邱明星.帶推力矢量的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)技術(shù)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2012，38（2）：23-26.TIAN Jing，QIU Mingxing.Research on engine’s installation system with vectored thrust and high ratio of thrust to weight[J].Aeroengine，2012，38（2）：23-26.(in Chinese)

[7]簡(jiǎn)建幫.基于MBD和特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工方法 [J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011（5）：756-760.JIAN Jianbang.A NC machining method for aircraft structural parts based on model based definition and feature[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2011（5）：756-760.(in Chinese)

[8]周秋忠，范玉青.基于數(shù)字標(biāo)工模型的飛機(jī)數(shù)字化協(xié)調(diào)方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008（4）：32-37.ZHOU Qiuzhong，F(xiàn)AN Yuqing.Digital coordination method for aircraft based on digital master tooling[J].Computer Integrated Manufacturing System，2008（4）：32-37.(in Chinese)

[9]簡(jiǎn)建幫.基于MBD和多Agent的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（22）：2647-2651.JIAN Jianbang.Collaborative design for aircraft structural parts based on MBD and multi-agent[J].China Mechanical Engineering，2010，21（22）：2647-2651.(in Chinese)

[10]Studer R.Knowledge engineering principles and methods[J].Data and Knowledge Engineering，1998，25（12）：161-197.

[11]Lee H.Rulebased process planning by grouping features[J].KEME International Jourmal，2004，18（12）：2095-2103.

[12]International Organization for Standardization.ISO 16792:Digital product definition data practices [S].Switzerland:International Organization for Standardization，2006：8-10.

[13]American Society of Mechanical Engineers.Y14.41：Digital product definition data practices [S].American Society of Mechanical Engineers，2003：10-15.

[14]Rebolo R，Arredondo P，Matesenz A.Aerodynamics design of convergent-divergent nozzles[R].AIAA-93-2574.

[15]Hunter C A.An approximate theoretical method for modeling the static thrust performance of nonaxisymmertric two dimensional convergent-divergent nozzles[R].NASA-1995-N95-23193.

Research on Application of MBD Technology in Aeroengine Design

LIJian，QIU Ming-xing,SU Yuan-yuan,TIAN Jing,LYU Chun-guang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shengyang 110015,China）

There were some problems of MBD technology application in aeroengine design,such as lack of unified standard and labeling management.To solve these problems,the common parts and typical parts MBD standard was formulated in combination with the industrial features.Consideringtheknowledgeexpression and multi-domain application,Definition Based Model Views(DBMV)management method was proposed.It made 3D MBD model the only effective knowledge information data sources through the application of whole life cycle of products,applied MBDto aeroengine design successfully.

Model Based Definition（MBD）;structural design;knowledge expression;views;information management;aeroengine

V260.5

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.006

2013-06-19

李健（1984），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作；E-mail:ianleelj@gmail.com。

李健，邱明星，蘇媛媛，等.MBD技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015，41（1）:32-35.LIJian，QIUMingxing，SUYuanyuan,et al.Research on application of MBDtechnology in aeroenginedesign[J].Aeroengine,2015,41（1）：32-35.

（編輯：沈廣祥）