新型航天器基于模型定義（MBD）方法研究與應用

鄧云飛、顧春輝、徐喆、尹進 /中國運載火箭技術研究院

航天新型產品研制領域面臨著外部競爭激烈，內部任務重、周期緊、技術難度大等困難，為確保我國新型航天器預研領域大有可為，必須放眼國際前沿，突破傳統觀念，尋求最佳研制模式，大幅縮短產品研制周期，提高研發質量。航天新型飛行器航空航天結合，協作單位跨越航空航天多家單位，急需突破傳統航天型號設計工具、設計平臺、研制模式和體系，建立適用于復雜協作關系和復雜飛行器構型的高效研發模式。

一、MBD概念的提出

基于模型定義(MBD)是采用全三維模型設計，將產品模型的幾何、非幾何信息按照一定規范用統一的模型進行定義表達的設計方法。美國通過ASME Y14.41 完成了相關標準的制定工作并應用于波音787、777 等客機研制，極大提高了研制效率，推動了數字化設計技術無紙化跨越式發展。

在新型航天器產品研制過程中，項目團隊結合ASME Y14.41 對數字化產品數據集定義及國內外先進航空宇航企業相關規范，面向國內航空航天實際技術水平，制定合理的MBD 數據集定義方案。不僅需要將傳統的基于二維圖樣定義技術中尺寸公差、注釋等標注信息移植到三維模型中，更關鍵的是要滿足管理技術以及并行工程要求。

二、 MBD主要內容

新型航天器產品MBD 將傳統二維圖樣上的尺寸公差、旗注、技術要求、材料屬性等信息通過標準規范集成到三維模型文件中。根據《新型航天器數據集定義規范》，MBD 數據集包括實體模型、三維注釋、尺寸及公差標注等信息，滿足完整定義產品的所有要求，典型MBD 數據結構如圖1 所示（實體模型+三維標注稱為設計模型，其他非幾何信息定義在特征樹中）。

圖1 典型MBD數據結構圖

三、MBD數據結構

數據結構主要包括主幾何、工程數據集和設計環境相關零部件，其中主幾何數據集包括主幾何模型數據集、接口控制幾何。

1.MBD 數據集的分類

（1）主幾何

主幾何包含構成飛行器外形和骨架的主要幾何元素，新型航天器概念設計到產品詳細出圖的基準模型。

全飛行器主幾何。描述全飛行器外輪廓及結構框梁位置的模型，對機身結構、翼面結構等外部曲面特征進行定義，是進行外形曲面相關零件設計和工裝模具制造的重要依據。主尺寸外形模型數據集和主基準文件定義了飛行器所有外部、內部的形狀及主要坐標系統、基準系統（點、線、面）。據集和主基準文件定義了飛行器所有外部、內部的形狀及主要坐標系統、基準系統（點、線、面）。

接口控制模型。對系統、部件之間的接口特征和要求進行定義，由說明文檔、設計接口模型組成，該數據集由總體設計人員定義和維護。

（2）工程數據集

新型航天器工程數據集包含實體幾何、三維標注和設計模板屬性定義的信息。名義尺寸直接在實體幾何1：1 中體現；關鍵尺寸和公差以及特殊技術條件通過三維標注表達；通用公差、材料屬性、表面處理、技術條件等通過模型模板自帶定義。新型航天器三維裝配工程數據集主要通過裝配要求模型進行定義，僅定義裝配關系、連接信息。

（3）設計坐標系和版本

除緊固件、復用件可通過復制實例化進行定義外，其他結構零件設計位置應由骨架模型采用自頂向下的設計方法確定。零件位置與骨架產生關聯，零件數模的坐標系與飛行器總坐標系重合。所有模型應標識版本，通過版本管理技術狀態，使模型的設計歷史過程可追溯。

2.各類數據集之間的關系

一是各類型的MBD 數據集都由一個單獨的零件模型構成，只有裝配件的數字樣機是由多個零件模型組合而成。二是MDS 和MDF 模型是所有其他文件的基礎，定義了其他所有模型之間的主要位置關系和外形基準。三是進一步分解為ICM 模型，對零件之間的位置關系和連接關系、位置進行定義。MDS 和MDF 可以用來直接定義零件，所有設計環境相關的零件均創建在全飛行器坐標系下。

四、MBD數據集中的組成

零部件產品的MBD 數據集包含精確的三維實體模型，通過模型制定的幾何集關聯產品的三維幾何信息、零部件表信息以及描述產品所需尺寸、公差和注釋信息，如圖2 所示。裝配要求模型中，產品結構由系統管理和表達，可以引入部分參考實體模型。對于組件/裝配MBD 數據集應包括設計配套表，以單獨的文檔形式表現，作為三維裝配模型的補充。完整的MBD 數據集應適應飛行器并行定義工作模式，提供能夠容納并行工作結果的集成框架。

圖2 2MBD數據集組成

五、 MBD數字化產品定義

完整的MBD 模型數據包括關聯設計數據、實體模型、工程注釋、尺寸和公差、工藝信息、裝配連接等。采用數字化軟件模塊實現三維定義，一般幾何名義信息由模型本身表達，幾何公差、非幾何信息由三維標注完成。典型的金屬機加零件三維標注視圖包括所有注、軸側圖、纖維方向、基準。

（1）實體模型

實體模型應基于骨架模型，由骨架模型發布的理論外形曲面、站位平面等約束關聯設計，生成的模型與實物產品比例應為1:1，且位置確定。

（2）工程注釋

標準注是對項目的通用說明，包括項目概述、通用說明、版權說明、密級、數字化產品定義遵循的標準、尺寸及公差遵循標準、完整性要求、運輸及保護、尺寸單位、模型尺寸比例等。

（3）尺寸、公差及基準標注

MBD 模型為產品法定尺寸公差標注的唯一介質，每個關鍵零件特征的工程數據（如公差、型面精度）均應通過零件注或功能尺寸和標注（FT&A）直接在CATIA 模型特征上進行定義，且所有FT&A應與唯一的模型相關聯。產品特征的所有尺寸、公差、工藝處理內容要在模型中保持唯一、無冗余。

三維模型標注應摒棄二維制圖“應標盡標”的思維定勢，基于三維模型的定義要求，用模型表達的無須使用尺寸。基于模型的定義幾何元素是解析幾何的“方程式”，二維制圖的幾何元素是平面幾何的量。

（4）工藝信息

MBD 數據集的核心理念是通過唯一的三維模型，集成設計信息和必要的工藝信息，統一全過程數據源。對于零部件的工藝信息，可分為零件級工藝信息和零件特征工藝信息，因此在MBD 模型中分別以零件注、標準注、物料描述說明等方式處理。對于部分零件，應將設計關注的工藝信息體現到模型中，實現設計制造一體化。對于需要顯示界面規范的應專門進行標注；對于復合材料，應根據工藝特點標注模具面、設計和工藝邊界以及生成符合工藝規范的鋪層信息。

（5）裝配連接信息定義

每個零件都要通過機械連接（鉚接、螺接等）、膠接或焊接進行連接，因此所有零部件產品必須要有連接特征定義。在數字化產品定義中，裝配或安裝產品與零件產品最大區別在與對裝配或安裝工藝的標注注釋和說明。例如將裝配緊固件已簡化的點、線表示，在模型中體現。一方面裝配工藝根據點線的屬性獲取緊固件的牌號和安裝要求，另一方面零件工藝可以根據點線位置數控加工導引孔，方便裝配精準定位。

航天新型產品設計技術領域新、專業跨度大、參與單位多、研制周期緊張、設計質量和使用可靠性要求高，需要高效的設計模式支撐項目的成功研制。項目組從傳統的二維+三維的產品數字化定義向MBD 數字化定義轉變，核心是二維工程圖和零件表定義與應用完全被MBD 數據替代。在新型航天器產品MBD 數字化定義技術應用過程中，構建了MBD 數字化產品定義的一般原則和方法，建立了較為詳細、完善的MBD 技術規范體系。▲