MBD技術在飛機結構設計中的應用

崔青青 余立 張家堂 李波

【摘??要】MBD?技術的大量使用不僅節約了大量的人力物力資源，還可以有效保證飛機安裝和檢查過程中的質量，杜絕安全事故的發生。

【關鍵詞】MBD技術;飛機結構設計;應用

前言

MBD?技術已應用于直升機產品研發的整個過程中，MBD?模型成為設計生產制造檢驗過程的唯一依據，但由于MBD?模型包含幾何、屬性、標注等各類信息較為復雜，很容易出現質量缺陷，必須要對模型質量進行檢查以確保模型的準確性。

1?MBD技術介紹

傳統的通過二維圖紙設計和制造的模式只面向產品的設計和制造，隨著產品全壽命周期管理（PLM）技術的發展，這種定義模式逐漸與數字化技術管理脫節，缺乏對數字化產品工程定義的統一認識和遵循標準，不能完全發揮數字化技術在飛機設計和制造的優勢。在數字化技術發展的大環境下，基于模型的定義技術為飛機產品定義的內容、管理模式以及產品定義方法提供了依據和指導。在MBD技術中，產品模型是其核心和基礎，由設計模型、注釋和屬性等組成。設計模型主要由三維實體模型和一些輔助幾何信息組成，是設計人員想法的再現。

2基于MBD的改裝協同設計信息傳遞

在試飛改裝協同設計中，改裝專業與飛機設計專業之間需要傳遞的信息多、專業覆蓋面廣，例如設備的結構安裝、強度校核、氣動布局分析、飛行載荷計算、電磁兼容性以及后期的設備拆除等等。若是采用“技術協調單+二維工程圖”的信息傳遞模式，會出現圖紙管理成本高、信息表述不清楚、設計難度加大等問題。因此，本文通過參考MBD技術中產品模型的定義方式，提出一種新的試飛改裝協同信息傳遞模式，意在將改裝專業與飛機設計專業之間就加裝測試設備的所有協同信息封裝在一個模型中，建立一種新的基于CATIA軟件的“ICD”文件，這種文件被稱為三維協調數模。三維協調數模適用于試驗機所用到的所有機載測試設備的改裝協同設計，其通過特征樹的形式將改裝專業需要向飛機設計專業傳遞的信息集成在一個模型中，三維協調數模主要包含幾何模型、屬性信息和注釋信息等3種類型的信息。

2.1幾何模型

1）空間坐標系：該坐標系與原機坐標系相同，便于機載設備在飛機中的定位。

2）零件幾何體：測試設備的三維實體模型，便于飛機設計專業直觀、清楚地了解機載測試設備的信息。對于飛機機身外圍加裝的測試設備，憑此可進行氣動布局分析和氣動載荷計算。

3）協調定義幾何圖形：通過輔助幾何的圖形化表達方法，表示機載測試設備的機械安裝接口信息，飛機設計專業可獲得設備的安裝位置、方向以及接口等信息，以此進行改裝轉接接口設計。

4）結構開孔定義：通過三維輔助幾何信息指定某些設備電纜穿孔的位置和孔徑信息。

2.2屬性信息

1）重量和重心：根據機載測試設備的重量和重心，可進行相關的強度計算，保證試飛過程中的安全性。

2）安裝位置及要求：表示設備的具體安裝位置以及所需空間等要求。

3）振動、載荷和剛度要求：表示設備所承受的振動條件、載荷范圍及所需剛度要求。

4）緊固件牌號及鉆孔協調：表明機載測試設備安裝所需的緊固件及制孔信息。

5）尺寸公差：向飛機設計專業指定未標注公差的尺寸按照一定的設計規范執行，體現了機載測試設備安裝接口的生產制造公差要求。

6）表面粗糙度：指定飛機設計專業設計的改裝轉接零件的制造粗糙度大小。

2.3注釋信息

包括一些文字說明信息，以及標注數模尺寸，并對一些關鍵尺寸標注公差。根據以上對三維協調數模構成要素的分析，這種基于特征全三維定義的模型實現了改裝協同信息的全要素封裝，包含了機載測試設備所涉及的所有專業信息。同時，相比傳統的“技術協調單+二維工程制圖”模式，這種表達方式可清晰明了、無歧義地表達出設備改裝信息，可視化性強。此外，針對不同機載測試設備，這種三維協調數模協同設計模式可分門別類建立三維協調數模模型庫，每類機載測試設備具有相應的三維協調數模設計模塊。從而使得三維協調數模協同設計模式的再利用能力得到最大體現，有利于試飛改裝技術的傳承。

3?基于三維協調數模的改裝協同設計應用實例

某試驗機根據不同重量下、不同重心下進行飛行試驗的要求，需要在客艙研制一套某試驗系統，以保證試飛過程中隨著燃油的消耗，飛機重心能實時保持在相應重量條件下的前后極限位置。該試驗系統的改裝設計方案為：根據改裝協同設計的分工不同，由某設計專業進行系統與機體連接的機械接口設計和結構強度計算，改裝專業在此基礎上進行該試驗系統的加改裝設計。

該試驗系統的改裝協同設計分為以下4?個階段：

1）協同設計準備：改裝專業和飛機設計專業關于試驗系統的改裝可行性進行初步協調分析。

2）協同設計前期：根據之前的初步協調分析結果，改裝專業編制試驗系統加裝的三維協調數模，集成系統的包絡體數模、機械安裝接口、重量重心和其他安裝要求等信息。

3）協同設計中期：飛機設計專業根據三維協調數模的信息，進行機械連接接口和結構強度的詳細設計。

4）協同設計后期：當試驗系統的機械連接接口和結構強度設計完成后，改裝專業基于此進行試驗系統的改裝詳細設計。因此，基于三維協調數模技術，通過改裝專業和飛機設計專業的協同設計。

結束語

通過某試驗機的試驗系統改裝協同設計研究實例，結果表明：相比傳統的改裝協同設計信息傳遞模式“技術協調單+二維工程圖”，通過基于MBD技術的三維協調數模的方式實現了技術信息的模塊化封裝和MBD技術數據源單一的基本特點，且描述清晰、形象、準確，極大地提高了試驗機改裝協同設計的效率。同時，三維協調數模的模塊化協同設計模式為試驗機改裝技術的繼承、維護和發展奠定了堅實的基礎。

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（作者單位：中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司）