基于Syncrofit的航天器全三維裝配設計方法研究

中國運載火箭技術研究院研究發展中心

彭揚 /首都航天機械有限公司

航天器裝配對產品制造的開發周期、產品質量、經濟效益等具有十分重要的影響。隨著計算機和網絡技術的飛速發展，產品裝配設計方法從二維圖紙逐漸向三維數字化模型過渡。近年來，國外以波音、空客等飛機研發公司在10余年內研發的新型產品為代表，集中體現了國外數字化裝配技術的應用現狀和發展方向，如在B787的裝配設計過程中采用基于Syncrof i t的三維裝配設計方法，從產品數字化定義到裝配工藝規劃的全部流程，都以數據流的方式進行傳遞，實現了以三維模型作為單一產品數據源的數字化裝配及仿真，極大提高了生產效率。

一、傳統產品裝配設計方法存在的問題

當前國內對三維設計模式的研究方興未艾，主要集中在零件結構三維制造研究，產品的裝配設計方法基本仍沿用傳統基于設計工藝相對分離、三維模型與二維圖紙并存共用的方法。

傳統航天器研制模式下，基于三維模型和二維文件并存傳遞、串行工程的方法設計質量粗放、效率低，無法滿足新型航天器結構產品“優性能、高質量、高效率”的要求，具體存在以下4個關鍵問題急需解決：

一是緊固件信息無法全部在數模中根據夾持厚度自動實例化，需要手工添加，工作量大，容易出錯。

二是緊固件信息BOM表無法自動提取和更新，設計單位需要在提供數模的同時，人工計算制定緊固件BOM表。

三是無法將裝配設計技術要求集中到數模中，需要單獨編制裝配驗收技術條件。

四是沒有集成的裝配數據集管理設計信息，需要打開全艙段數模才能顯示全部信息，數據量大，輕量化程度低。

二、全三維裝配設計方法研究

1.模型信息表達規范及實現方法

產品裝配設計的核心內容是通過唯一的三維模型集成所有的裝配設計信息和必要的工藝信息，統一全過程數據源。裝配要求模型（ARM ）數據集表達方法是其中一項主要內容，通過調研國外先進企業數據集表達方法，總結出適用于航天器結構的裝配要求模型定義方法，包括標準件信息、連接信息、技術要求、工裝信息等。

2.裝配設計流程

智能制造模式下要求裝配產品設計與工藝設計同步，裝配設計的工藝性和科學性直接影響設計模型的精細化程度以及方案的可行性。筆者通過借鑒國外先進企業MBD研制經驗，構造以VPM/Syncrof i t平臺為依托，以模型為核心的設計、制造一體化設計流程，并形成相關規范體系進行流程固化。

在某新型航天器艙體裝配設計過程中，完成了設計工藝一體化詳細流程方法構建，具體流程包括以下幾個方面：

發布設計規范。通過借鑒波音、西門子等先進企業設計經驗，并結合航天器裝配實際情況，制定設計工藝協同裝配要求文件（見表1），以確保后續工作流程的規范性。

建立基礎數據庫。將航天器常用的1852種緊固件，包括鉚釘、螺栓、螺釘、螺母、托板螺母等數據進行解析，并定制到數據庫平臺中，后續設計人員只需要在終端直接調用需要的緊固件或者緊固件組合信息，這樣可大量節約設計時間，提高設計效率。

表1 航天器三維裝配設計規范

建立產品結構樹。產品結構樹是指在數字化平臺上，根據產品圖號分配表為基礎建立的零組件父子級關系，形成產品結構樹，其中每個組件下建立裝配數據集ARM模型。

連接關系規劃。根據產品零件設計結果將裝配組件下的零件連接關系進行規劃，并進行分組管理。

連接關系設計完成后，該組件下所有釘點的連接關系應完成分類設計，有釘點的地方配合的其他組件也應打開。一般準備工作過程中，應打開全機數模進行檢查，確保連接釘的地方外組件零件的位置，防止后續夾持長度計算錯誤。準備工作完成后，關閉CATIA，按照連接關系表打開連接相關的零件即可，從而加快速度。

緊固件布置。根據組件內部零件連接關系和夾持厚度，對不同類型的緊固件進行分組布置，并確定各區域緊固件的牌號。

完成緊固件選型后，應對配合的安裝孔進行定義，一般直接從協同設計規范中選取，后續工藝根據此規范和其他信息進行加工。

計算夾層厚度。通過數模中具有連接關系區域厚度自動計算夾持厚度，一般包括連接零件總厚度、間隙、公差、墊片等，然后軟件自動根據夾持厚度選取合適規格的螺栓、螺母等。后續，如果零件設計過程發生更改，厚度變化，緊固件將自動更新，以確保規格正確。傳統的人工統計數模緊固件則不具備自動更新能力，工作量大且容易出錯。

實例化孔和緊固件。根據計算的夾持厚度，可自動完成零件裝配孔特征并從數據庫中調取緊固件數模，并完成裝配。

裝配信息發布。完成緊固實例后，可進行裝配技術要求等非幾何信息定義，最后將裝配緊固件各項要求統一發布在ARM模型下并提取BOM。

三、成果經驗及應用效果

1.預研產品需求牽引是實現設計模式創新跨越發展的基礎

面對預研結構產品激烈的競爭形式，項目團隊大膽創新，開拓進取，引進國際先進的三維裝配設計工藝一體化設計方法，以基于MBD的統一數據源為核心，打通了從“幾何樣機—性能樣機”的產品質量管控機制，初步形成了結構化產品研制流程、協同化產品設計環境、專業化產品設計工具、知識化產品設計資源、體系化產品設計規范等五化式過程目標管理，有效提升技術抓總能力，保障了項目的順利實施。

2.專業規范的數字化基礎建設是項目成功應用的關鍵

通過強化基礎，建立了首個協同裝配設計/制造一體化平臺，開發三類35項專業設計工具，顯著提升了設計效率。

通過規范先行，制定了集團級、院級、中心級、室級標準規范體系37份，形成了73份各層次體系作業文件，有效保障了設計質量。

通過積累資源，構建了結構設計模板體系4份，材料庫體系3份，標準件庫46508種，電插接件庫426種，成品件庫46種，大大加速了后續設計效率。

通過研究基于MBD全三維裝配設計方法，并具體應用到新型航天器艙段結構設計，取得了顯著的應用效果。完成了國內首個大型可重復使用新型航天器結構機構設計，建立零組件模型15000多個，零件制造和產品裝配全部設計與主要工藝信息均集成到三維模型中，實現了全過程無紙化，生產周期縮短42%，數字化制造技術達到了國際先進水平。

隨著產品裝配數字化設計技術的應用和發展，對航天器裝配效率的提高、裝配返工率的降低、裝配質量的保證都有極大的改善，縮短了制造周期、產生了顯著的經濟效益。隨著MBD技術在航天工程應用中逐漸發展和完善，航天器裝配技術必將取得更大的提高。