基于全三維設計的航空緊固件輔助設計系統

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建燁，辛宇娟，屈力剛，楊野光，劉　躍

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136）

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基于全三維設計的航空緊固件輔助設計系統

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建燁，辛宇娟，屈力剛，楊野光，劉躍

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136）

摘 要：MBD模型已成為全三維設計、制造、裝配、檢驗的數據基礎。占飛機整體零件數量半數以上的緊固件，傳統手工查閱完成緊固件選型的工作方式效率低、錯誤率高。緊固件種類繁多、造型復雜，傳統的MBD三維模型表達方式在加大建模工作量的同時，也使得裝配信息冗雜不直觀。針對飛機全三維設計過程中，緊固件裝配設計重復率高、效率低、準確率低的特點，建立基于全三維設計的航空緊固件智能設計系統。該系統以基于知識的緊固件動態數據庫為基礎，建立規范化的航空緊固件選用流程，采用緊固件3D點線表達&結構化管理，實現航空緊固件的智能化設計，提高飛機的設計效率、裝配效率。

關鍵詞：MBD；動態數據庫；3D點線表達；設計效率；裝配效率

0 引言

無論是軍用、民用，現代飛機采用了大量緊固件，將組成飛機的零件、組件、部件連接成有機整體。緊固件使用數量少則幾十萬件，多則上百萬件；緊固件類型結構多樣，需要根據使用部位、使用環境、使用載荷、壽命要求等進行選用。在以往的緊固件設計過程中，一般采用手工查閱方式進行緊固件的選擇和信息標注，由于緊固件數量龐大、選用復雜，不僅花費時間長，而且容易出現選型、標注錯誤，整體設計效率亟待提高。

在飛機體裝配設計制造過程中，需要定義及使用大量的與緊固件相關的幾何信息和非幾何信息；裝配設計時需要把緊固件的附屬信息、連接信息等內容附加到三維模型上，生成完整的三維數字化產品定義；然后交付裝配車間，裝配工程師從模型中快速獲取所需要的裝配數據，從而從設計數據到裝配數據的快速傳遞。

圖1　緊固件數據庫結構圖

通過通用軟件，設計人員需要手工定義及獲取數以萬計的緊固件信息，其中包括：緊固件牌號、緊固件安裝位置等，這將是一項繁瑣、易錯、費時的工作；同時，定義和共享這些信息時，信息的自動同步、三維CAD系統地通用化是必須考慮的問題。工程師需要綜合緊固件信息建立正確的使用規范，在滿足規范要求的前提下，高效定義制造過程的不同階段狀態，確保最終產品滿足工程要求。

圖2　螺栓主輔對應關系

1 基于知識的緊固件數據庫

各個航空企業針對自身研發的機型，都有自己內部獨立編匯總、編纂的緊固件手冊。設計人員人工查閱三四百頁的緊固件手冊，綜合考慮零部件位置、載荷要求、變形程度等因素，確定緊固件規格。計人員主要確定緊固件幾何信息，非幾何信息的表達（如裝配技術要求、開口銷類型、潤滑、熱處理、表面處理等）對裝配過程也有重要影響。針對緊固件數量大、數據信息冗雜、選用規則繁瑣、主輔關系多樣的特點，建立一個基于知識、可實時查詢/更新的緊固件數據庫勢在必行。將二維紙質的緊固件信息轉化成動態數據庫，成為緊固件快速安裝系統的前提與基礎。圖1為緊固件數據庫結構圖。

2 規范化的航空緊固件選用流程

緊固件參數數據庫嚴格依照《飛機標準件手冊（上）》（2014年3月第1版，以下簡稱“手冊”）中記錄的緊固件參數進行錄入，其中涉及緊固件標準約350項，規格約21000個。緊固件標準繁多，選型復雜例，將緊固件手冊中的主輔對應關系梳理清楚，建立一套嚴謹、通用性較強的緊固件選用邏輯。遵循緊固件選用邏輯建立的動態數據庫使得緊固件選用過程規范化、智能化。圖2為螺栓主輔關系對應表。圖3為螺栓選型示意圖。

3 航空緊固件的3D點線表達

全三維設計中，MBD概念旨在將產品設計、制造、裝配過程中的所有信息集成在產品的三維模型中，以實現無紙化的三維數字集成制造。緊固件占飛機零件總數半數以上，種類繁多、數量巨大，選型繁瑣。在遵循MBD信息集成化的原則下，采用“3D點線”方式表示航空緊固件。其中，點的物理屬性代表緊固件的安裝位置；直線的物理屬性：長度，代表緊固安裝前/安裝后的軸向尺寸；方向，代表緊固件的安裝方向。圖4表示基于MBD的緊固件信息分類。CATIA軟件環境下緊固件的3D點線表達如圖5所示。

圖3　螺栓選型示意圖

圖4　緊固件3D點線表達示意圖

圖5　CATIA軟件環境下緊固件的3D點線表達

4 緊固件信息結構化管理

“點線”方式是針對單個緊固件的信息表達方式；面對同一機型研制過程中數以萬計的緊固件，需建立一種宏觀角度上更為合理的緊固件管理方式。利用CATIA 的.CATPart文件實現緊固件相關信息的存儲；根據CATIA特征樹的理念，確定以“夾持組”為基礎進行緊固件信息的分類管理。緊固件結構化管理示意圖如圖6所示。

圖6　緊固件結構化管理示意圖

5 實例驗證與結論

以平錐頭空心鉚釘HB1-601為例，進行實例驗證。HB1-601主輔對應關系如圖7所示。

6 結論

基于全三維設計的航空緊固件智能設計系統使得緊固件數據管理簡便、高效化；緊固件選用規范化、智能化；緊固件選用結果形象直觀。

圖8　創建夾持組

圖9　鉚釘選型過程圖

圖7　平錐頭螺紋空心鉚釘主輔對應圖

【下轉第23頁】

檢測與監控

作者簡介：郭建燁（1971 -），男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事數字化設計與制造方面的研究。

收稿日期：2015-10-22

中圖分類號：V261

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0009-03