基于MBD的機(jī)車關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法研究

張信廣，王宗民，李浩杰，張雪剛

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司

基于MBD的機(jī)車關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法研究

張信廣，王宗民，李浩杰，張雪剛

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司

圍繞目前機(jī)車設(shè)計(jì)中的效率低，更改繁瑣等問題，本文研究了MBD技術(shù)原理，基于MBD技術(shù)研究了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的原理，分析了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中的骨架模型的定義，給出了基于MBD的機(jī)車關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)過程，為機(jī)車的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)，可有效的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

MBD；關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)；骨架模型；設(shè)計(jì)過程

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)車產(chǎn)品的種類不斷增多，為人們的日常生產(chǎn)、生活活動(dòng)提供了諸多便利。就目前來(lái)說，新型機(jī)車產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但是由于大部分機(jī)車產(chǎn)品的工藝復(fù)雜，對(duì)工程技術(shù)的要求較高，而且設(shè)計(jì)要求復(fù)雜，涉及多個(gè)學(xué)科的交叉，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)床配件的匹配相對(duì)繁雜。為了提高機(jī)床的設(shè)計(jì)效率，目前大部分企業(yè)多采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，但是我們不得不注意到，該種設(shè)計(jì)技術(shù)條件下，機(jī)床的外形與結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)之間是相互影響的、相互依賴的，稍有不慎，就會(huì)影響機(jī)床的整體性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也致力于該方面的研究，力求通過數(shù)字化的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)更好地控制并傳遞三者之間的這種相互影響、相互依賴的關(guān)系，使得機(jī)車設(shè)計(jì)過程中的更新、迭代效率更高。但是，到目前為止，該方面的研究成效并不是十分顯著。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品研制中通過建立模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如零件之間、結(jié)構(gòu)之間、自由度、運(yùn)動(dòng)約束等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)理-尺寸驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)、幾何驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)、邏輯關(guān)聯(lián)等，通過這些關(guān)聯(lián)更改其他的相關(guān)更改，從而使得機(jī)床設(shè)計(jì)更改更快，提高機(jī)床整體性能。

過去，由于技術(shù)條件等方面的限制，產(chǎn)品的定義多是用紙質(zhì)版的二維工程圖來(lái)表示。而隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步，該種表示方式已經(jīng)日漸落后，各類產(chǎn)品都要求利用專業(yè)的繪圖形式來(lái)清晰表達(dá)其結(jié)構(gòu)及相關(guān)的制造要求。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用恰好適應(yīng)了此點(diǎn)，很多航空產(chǎn)品已經(jīng)采用了三維數(shù)字建模的形式。但是，需要注意的是，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，這些產(chǎn)品的三維數(shù)字信息也要轉(zhuǎn)化為二維圖紙，這個(gè)過程耗時(shí)、耗費(fèi)人力，加之由于轉(zhuǎn)化過程中各種限制性因素的存在，轉(zhuǎn)化過程中很容易出現(xiàn)理解偏差。例如，為了保持其行業(yè)領(lǐng)頭羊地位，波音公司的設(shè)計(jì)部門率先全面推進(jìn)三維數(shù)字化的定義技術(shù)，該種技術(shù)就是所謂的基于模型的定義技術(shù)（Model Based Definition，簡(jiǎn)稱MBD）技術(shù)，該技術(shù)為企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的機(jī)遇[1]。之后，該技術(shù)在各國(guó)的產(chǎn)品生產(chǎn)與設(shè)計(jì)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文研究MBD技術(shù)在機(jī)車關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，研究MBD模式下產(chǎn)品信息表達(dá)、骨架模型定義、如何進(jìn)行基于MBD的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)等，為未來(lái)機(jī)車的快速設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.MBD的概念與表達(dá)

正如上文中所提到的，MBD技術(shù)是一種基于模型的定義技術(shù)，是指用集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法。該技術(shù)應(yīng)用的主要原則就是將原來(lái)那些用二維圖紙所表達(dá)的產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)信息、產(chǎn)品屬性信息等，都集中于一個(gè)三維的數(shù)字化模型中。該技術(shù)的應(yīng)用徹底顛覆了過去用二維圖紙來(lái)定義產(chǎn)品信息的方法，在三維數(shù)字化模型的技術(shù)基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品工藝、制造、裝配等各項(xiàng)工作有機(jī)融合在一起，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造以及后期維護(hù)工作更好地融合在一起，使得產(chǎn)品生產(chǎn)到應(yīng)用過程中信息更為準(zhǔn)確，也更為迅速，這樣原來(lái)的三維模型與二維圖紙之間存在的偏差也逐漸減小，產(chǎn)片的研制周期進(jìn)一步壓縮，生產(chǎn)效率提高[2]。

最早來(lái)說，波音公司開始大范圍推廣使用MBD計(jì)算，并將其787項(xiàng)目產(chǎn)品的研制周期縮短了百分之三十左右，研制效率的提高使得企業(yè)的利潤(rùn)增加。同時(shí)，波音公司的研究者發(fā)現(xiàn)，MBD技術(shù)的應(yīng)用有效地避免了傳統(tǒng)二維圖紙信息表達(dá)不準(zhǔn)確的弊端，使得產(chǎn)品的研發(fā)成本也大大降低。自此之后，一些其他的公司也開始學(xué)習(xí)應(yīng)用MBD技術(shù)，將三維標(biāo)準(zhǔn)的模型作為產(chǎn)品生產(chǎn)的唯一數(shù)據(jù)源，保證產(chǎn)品生產(chǎn)信息的準(zhǔn)確性[3]。

一個(gè)完整的MBD數(shù)據(jù)集是由如下幾個(gè)部分構(gòu)成的：設(shè)計(jì)模型、標(biāo)注和屬性，具體來(lái)說如圖1所示。

圖1 CATIA環(huán)境下MBD數(shù)據(jù)集的表達(dá)方式

第一部分，設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)模型是MBD數(shù)據(jù)集中最復(fù)雜的部分，由外部參考、構(gòu)造幾何、工程幾何和零件幾何體構(gòu)成。其中外部參考可以關(guān)聯(lián)到產(chǎn)品其他的幾何元素（模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系的有效載體），這些元素驅(qū)動(dòng)著產(chǎn)品的表面或者實(shí)體模型元素的定義。工程幾何則是整個(gè)MBD建模的基礎(chǔ)支撐，包括坐標(biāo)系統(tǒng)等。構(gòu)造幾何主要是用來(lái)保存產(chǎn)品三維建模過程中的各種必要信息，是在產(chǎn)品外部參考信息與工程幾何的基礎(chǔ)上所需要的各種幾何數(shù)據(jù)，這并不是為了描述產(chǎn)品的制造工藝的。零件幾何則是用來(lái)描述產(chǎn)品的實(shí)體形狀的，其中包含產(chǎn)品的一系列的生成特征。

第二部分，標(biāo)注包括尺寸、基準(zhǔn)、公差、粗糙度、文本信息和工程注釋信息。除了工程注釋信息，其他信息都可以在三維數(shù)字模型上表示出來(lái)。而工程注釋信息則是用來(lái)表達(dá)二維圖紙中的明細(xì)表、技術(shù)要求等，是由一些特定的幾何圖形集組成的，包括零件注釋、材料注釋、各種審簽信息等。當(dāng)然，對(duì)于部分裝配件模型來(lái)說，工程注釋還會(huì)涉及到產(chǎn)品機(jī)械連接、密封等相關(guān)信息。

第三部分，屬性。它主要包括產(chǎn)品項(xiàng)目名稱、零件編號(hào)、重量等信息，是根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理信息來(lái)添加的。由于屬性信息不經(jīng)常被瀏覽，常用CATIA的屬性件來(lái)進(jìn)行查詢等工鞥。

2.關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)是三維產(chǎn)品定義過程中各個(gè)模型之間相互依賴關(guān)系建立的關(guān)鍵所在。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入與輸出之間的關(guān)系影響重大，同時(shí)它們之間所形成的輸入輸出關(guān)系也會(huì)對(duì)定義骨架模型起到重要作用。

眾所周知，機(jī)車設(shè)計(jì)過程中要更改設(shè)計(jì)數(shù)模是十分繁雜的，需要大量的人力、物力投入。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)C(jī)車總體與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)以及系統(tǒng)之間的設(shè)計(jì)更好地關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息共享，提升了機(jī)床設(shè)計(jì)數(shù)模變更的速度與效率。另外，上游設(shè)計(jì)的變更也能夠及時(shí)關(guān)聯(lián)到其他部分，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠保持高度一致[4]。

機(jī)床設(shè)計(jì)過程中會(huì)涉及總體、結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)的骨架模型節(jié)點(diǎn)，也就是所謂的骨架模型拓?fù)浣Y(jié)果（見下圖2）。該骨架模型節(jié)點(diǎn)內(nèi)容繁雜，寶開闊產(chǎn)品所有關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素，包括一些點(diǎn)、線、面的位置等，這些要素也會(huì)形成一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系定義。

圖2 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次及關(guān)系

3.骨架模型的定義

作為關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的神經(jīng)中樞，骨架模型是下游零件設(shè)計(jì)的直接驅(qū)動(dòng)者，它會(huì)對(duì)骨架模型劃分合理與否產(chǎn)生十分重要的影響。骨架模型的建立使得產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)盡快地更新與傳遞，使得零件數(shù)據(jù)進(jìn)一步更新。一般來(lái)說，骨架模型有四種：總體骨架、接口骨架、部段骨架和部件骨架，如圖3所示。

圖3 骨架模型的分類

第一，總體骨架。這是最為重要的，也是其他三種骨架形成的重要基礎(chǔ)，它是由總體外形和整機(jī)布置站位兩個(gè)部分構(gòu)成的，主要是幫助下游建立接口骨架。

第二，接口骨架。該骨架的主要作用是協(xié)調(diào)兩個(gè)甚至多個(gè)不斷之間的對(duì)接區(qū)域，接口骨架是由多個(gè)公用元素組成的，主要進(jìn)行各步端之間的協(xié)調(diào)。

第三，部段骨架。部段骨架是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的重要基準(zhǔn)，由三大類元素構(gòu)成：總體骨架中引用的元素、接口骨架中引用的元素以及各個(gè)部段細(xì)化的元素。部段骨架能夠根據(jù)部段的特點(diǎn)對(duì)下游部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟鸱郑瑥亩沟霉羌芨聲r(shí)的影響面進(jìn)一步降低，這樣也會(huì)使其他零件不受影響。

4.基于MBD的機(jī)車關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者必須要首先考慮機(jī)床的總體及局部坐標(biāo)系，從而發(fā)布整個(gè)機(jī)床的坐標(biāo)系，之后才會(huì)在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)機(jī)床的車廂外形等，建立整個(gè)機(jī)床的總體骨架模型，如圖2所示。

當(dāng)然，隨著設(shè)計(jì)工作的推動(dòng)，設(shè)計(jì)技術(shù)不斷提升，機(jī)床設(shè)計(jì)的骨架模型也不斷成熟起來(lái)，這些骨架模型可以供車體、車內(nèi)等專業(yè)引用。之后，設(shè)計(jì)者要根據(jù)前期發(fā)布的骨架模型建立整個(gè)機(jī)床的結(jié)構(gòu)骨架模型，隨后布置零件的主要元素，進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，如圖4。在完成零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，工作人員要在之前三維建模的基礎(chǔ)上標(biāo)注三維信息，將標(biāo)注信息與機(jī)床的幾何特征關(guān)聯(lián)起來(lái)。如果零件的局部特征發(fā)生更改，相關(guān)的三維標(biāo)準(zhǔn)信息也會(huì)相應(yīng)更新，設(shè)計(jì)變更會(huì)更為簡(jiǎn)單快捷，機(jī)床的設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)所需要花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)大大縮短。

圖4 基于MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

5.總結(jié)

本文通過對(duì)MBD的技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，分析了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的原理和骨架模型定義的關(guān)鍵技術(shù)，給出了基于MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)過程，可以有效的指導(dǎo)機(jī)車的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，從而大大提高機(jī)車的設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)車設(shè)計(jì)的快速更改。

[1]賈曉亮.關(guān)于MBD技術(shù)在我國(guó)航空制造企業(yè)應(yīng)用的幾點(diǎn)思考[J].航空制造技術(shù)，2013（3）：50-54.

[2]徐圣，劉曉明，姚小虎，等.基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化定義技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（27）：48-49.

[3]周秋忠，范玉青.MBD技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2008（3）：55-57.

[4]劉雅星.飛機(jī)并行協(xié)同研制模式與支撐技術(shù)探索[J].航空制造技術(shù)，2010（18）：77-80.