基于骨架模型的直升機關聯設計方法研究

吳志鵬，靳淑娟，曾佩杰

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

直升機系統零部件密集,交聯關系復雜,目前在直升機研制過程中已全面應用MBD 全三維設計技術，基于產品數據管理系統建立了單一數據源的數字樣機模型，實現了產品數據設計到制造的全數字量傳遞和基于數字樣機的并行協同研制。但是直升機并行協同過程是不斷更改優化數字樣機模型的過程,隨著直升機從概念設計轉入初步設計、詳細設計等階段，設計更改會急劇增加，數字模型內部會形成錯綜復雜、混合交織的網狀更改影響關系[1]。然而由于數字樣機模型內沒有建立有效的關聯，無法建立更改的自動數字量的關聯傳遞，目前主要采用不嚴謹的線下人工通知來傳遞更改，導致研制迭代的效率低下、全機數字樣機狀態更新不及時，同時也無法在設計更改時快速評估更改影響性[2]。

關聯設計在國外航空領域中已經大面積應用，國內尚處于起步應用階段。主要航空院所專家學者劉俊堂、白永紅、田憲偉、陳陽平等從關聯設計的概念、原理和實現方法、設計制造協同關聯、關聯設計骨架模型定義、數字樣機模型鏈接關系表示及求解等方向開展了關聯設計技術在飛機研制中的應用探索研究[3-7]，本文主要基于法國達索VPM/CATIA 系統平臺，進一步研究基于構型項的骨架模型定義管理，自頂向下的直升機關聯設計方法等在直升機研制中的應用。

1 基于骨架模型的關聯設計技術

關聯設計是指在設計零件時可以參照其它現有零件，并在零件之間建立關聯關系的一種方法。當被參照零件更改時，系統自動提示該設計零件是否需要更改，并且通過系統的自動更新功能，把上游零件的更改內容傳遞到下游設計零件中，大幅提高了零件設計的迭代的速度，縮短產品研發的周期[8]。

基于骨架模型的關聯設計核心是要對設計對象進行分析，梳理出設計對象各部分之間的相互影響關系，并總結決定設計對象的主要因素、關聯關系的接口和載體，形成骨架模型。骨架模型本身的內容可以是點、線、面、曲面等幾何元素，也可以是從實體上抽取的頂點、邊、面等拓撲元素[9]。骨架模型只用來作為設計員的設計參考或定位參考，而不是產品BOM的內容，并按層次進行組織，下層骨架模型參照上層骨架模型進行必要的分解。同級別的設計人員同時參照同一個骨架并行設計各自負責的零件。最終要實現上層更改引起下層必要的更改，同時不至于影響所有下游零件。

基于骨架模型的關聯設計方法在直升機研制中應用主要有以下優點：

所有重要的外形、接口、參數等信息都保存在骨架模型中，確保了關鍵接口參數信息的集中管理[10]。在整個設計過程中，不同角色的設計人員各司其職，骨架模型可以由經驗較為豐富的設計人員負責完成，并通過關聯方式傳遞到各個設計人員進行具體設計，保證了骨架模型的設計質量，同時也提升了型號研制效率。

在骨架模型設計方法中，所有的外部參考元素都是從骨架傳遞過來的；所有關聯都是指向同一個方向。盡可能的避免了大型產品設計中各子系統之間相互引用而導致的循環更新問題。

2 基于構型項的直升機骨架模型定義與管理

2.1 骨架模型的組織

關聯設計需要充分考慮直升機產品設計自頂向下的相互參考關系，建立自頂向下的樹狀骨架模型樹，形成產品骨架模型合理的層次關系，并制定單方向的參考引用規則，避免關聯關系的相互引用導致的循環嵌套，使得骨架之間的關聯關系易于控制。另外，以構型項目CI（Configuration Item）為基本單位建立自頂向下的模塊化骨架，通過骨架模塊化設計和模塊配置管理，形成多樣化的骨架系列，滿足軍民用各類產品的靈活多樣的構型特點要求。通過對產品CI 規劃和零組件設計進行清晰地界定，使開展工作的相應人員有明確的業務協調要求和責任分工。在CI 規劃環境中，技術狀態管理人員依據研制方案規劃CI 結構樹，定義產品骨架結構及相應模塊，通過配置過濾產生相應的CI 樹反映各類構型的產品，并將結構樹的葉節點CI 傳遞至骨架零組件設計環境；在骨架零組件設計環境中，設計人員在傳遞的CI 下開展具體模塊的設計活動，組織骨架零組件數據。

關聯設計是一種上下文設計方式，骨架模型需要與產品結構建立在統一的上下文環境下，VPM 系統中單PRC 結構環境下的基于構型CI 的骨架組織結構示意圖如圖1 所示。

圖1 基于構型CI 的骨架組織結構示意圖

在VPM 系統中，骨架模型與產品結構通過GCO 組織在同一PRC 根節點下。骨架模型樹分為兩層，分別為骨架CI 層和骨架零組件層。其中骨架CI 層又分為骨架ICI（Invariable CI）不可變構型配置項和骨架VCI（Variable CI）可變構型配置項，骨架零組件層位于VCI 骨架節點之下，骨架零部件（CHDPRODUCT）下掛載具體的骨架零件（葉節點）。在骨架CI 層，技術狀態管理人員依據系統規范和研制方案規劃骨架CI 結構樹，定義骨架結構模塊，通過配置產生相應的骨架CI 樹反映各類構型的骨架產品，并將結構樹的葉節點VCI 權限傳遞至骨架零組件層；在零組件層中，骨架設計人員在傳遞的VCI 下開展具體模塊的骨架設計活動，組織骨架零組件數據。

根據直升機研制特點，骨架模型按專業主要分為總體氣動骨架、機體結構骨架、系統骨架三類。其中系統泛指液壓系統、電氣系統、飛控系統、傳動系統等直升機系統。

總體氣動骨架模型主要包括理論外形骨架模型VCI 節點、占位信息骨架模型VCI 節點及其骨架模型零件等。總體氣動骨架模型是對總體氣動產品模型的分解、細化，方便下游專業的引用。

機體結構骨架模型分為機體結構骨架模型（總論）和區域結構骨架模型。機體結構骨架模型（總論）引用總體發布的骨架模型，組織結構總體骨架模型零件及各區域間的接口骨架模型，區域結構骨架模型引用機體結構骨架模型（總論）發布的骨架模型進一步組織細化形成區域骨架模型零組件。

系統骨架模型參照機體結構骨架模型組織形式分為系統骨架模型（總論）和區域系統骨架模型。系統骨架模型（總論）引用結構發布的骨架模型組織系統總體骨架模型零件及各區域間的接口骨架模型，區域系統骨架模型引用系統骨架模型（總論）發布的骨架模型進一步組織細化形成區域骨架模型零組件。

2.2 骨架模型的有效性管理

技術狀態管理人員通過CI 進行骨架模型的有效性管理。基于CI 的骨架模型配置規則如圖2 所示，ICI 不發放不升版，VCI 發放可升版，ICI 和VCI上進行批架次有效性配置，骨架零組件繼承其上級的CI 有效性，不另外設置有效性。CI 及零組件為最新版有效，并自動替換老版的有效性，老版有效性設為空。若CI 及零組件有效性發生變化，則需要通過CI/零組件換號實現，換號后的CI/零組件設置新的有效性。通過架次有效性可過濾得到不同架次的產品骨架模型，設計人員引用過濾得到的產品骨架模型開展相應架次的產品骨架設計工作，從而實現骨架模型多構型配置和快速衍生設計。

圖2 基于CI 的骨架模型構型配置規則

2.3 骨架模型的更改管理

骨架模型的更改不同于設計模型的更改，骨架模型更改不僅會影響到與其關聯的設計模型更新，還可能會導致下游零件的版本升版、換號、有效性變化。基于VPM的骨架模型的更改過程如圖3 所示，主要包括：

圖3 骨架模型更改過程

（1）根據型號研制需要，提出骨架模型的更改需求；

（2）模型更改前，需要在VPM 中對模型更改的影響性進行分析，評估更改對下游關聯對象的影響程度，從而最終確定更改方案；

（3）在正式更改前，需要考慮骨架模型的狀態“工作中”或者是“已發放”。

①對于工作中的骨架模型更改，可根據更改方案直接修改骨架模型，更改關系會直接傳遞至下游，下游受影響模型直接在上下文中進行更新同步；

②對于已凍結發放的骨架模型，則需要考慮骨架模型更改的影響，考慮是否會引起構型變化。

（4）若骨架模型的更改不會引起構型的變化，則考慮在非上下文環境中進行骨架模型換版，此時，下游無法看見換版后的高版本模型。待完成設計后，高版本骨架模型可通過“同步”操作替換上下文環境中的低版本的骨架模型，引用該骨架模型發布元素的下游設計模型可依據高版本模型進行自動更新。

（5）若骨架模型的更改會引起構型的變化，則需要通過骨架模型換號操作實現，首先創建一個游離的衍生模型，然后開展更改工作，最后將新骨架模型掛載在相應結構樹中。下游受影響模型需要在同時打開上下游模型環境下進行外部引用幾何元素替換更新。

3 自頂向下的直升機關聯設計方法

3.1 自頂向下的直升機研制關聯關系

直升機型號研發有著明顯的上下游參考關系，主要遵循總體氣動-結構設計-系統設計的自頂向下的設計順序和參考順序。

總體氣動作為源頭，為結構設計、系統設計提供外形、站位參考，總體氣動專業形成的設計結果主要包括理論外形圖、主旋翼理論外形，尾槳理論外形，總體布置圖、通道與口蓋布置圖、三面圖、交點數據圖、客貨倉布置圖、操縱臺布置圖等。

機體結構是直升機主要的承載系統，主要包括前機身、中機身、過渡段、尾端等專業。結構設計主要參考來源于總體氣動的外形和站位，主要是通過在設計件內引用總體氣動發布元素建立關聯約束關系，而非通過零件間的裝配約束來傳遞關聯關系。

系統泛指電氣、飛控、液壓、燃油、動力等系統，這部分系統設計主要依附于結構作為安裝平臺。系統設計過程中，系統與結構的關聯約束形式不同，系統設計主要是通過與結構安裝發布元素建立約束來建立裝配關聯定位。

3.2 自頂向下的直升機關聯設計應用

自頂向下的直升機關聯設計流程需要參考整個型號產品設計的上下游關聯關系，確保關聯設計的自上而下，避免產生引用閉環。如圖4 所示，自頂向下的直升機關聯設計遵循如下關聯設計流程。

圖4 自頂向下的直升機關聯設計流程

（1）構型人員根據型號研制經驗和特點進行粒度劃分，合理定義骨架及產品CI，在單一PRC 中組織產品結構及骨架樹。并將VCI 節點權限傳遞分配給相應專業設計人員；

（2）總體氣動專業人員使用全參數創建型號總體氣動主幾何文件并在相應骨架CI 下統一發布總體氣動骨架模型，供下游專業引用；

（3）機體結構骨架組長引用總體氣動發布的骨架模型創建結構骨架模型（總論），結構分區域骨架組長進一步分解得到各區域骨架模型，并進行發布；

（4）結構設計員則引用區域骨架模型發布元素開展結構關聯設計。同時提取并發布結構包絡面，以便系統專業定位安裝系統產品；

（5）系統骨架組長引用結構發布包絡面及參數建立系統骨架模型（總論），系統分區域骨架組長進一步分解得到各區域系統骨架模型，并進行發布；

（6）系統設計員利用“裝配R 模型”引用系統專業骨架模型的發布幾何元素，作為接地件與系統產品進行裝配設計，從而可將裝配約束局限在產品模型裝配節點，避免出現無法保存在VPM 中的跨CI級（系統專業骨架模型與系統產品位于不同的CI）的裝配約束關系。其中裝配R 模型為全三維設計模式下表達裝配或安裝要求的特殊模型。

4 結束語

關聯設計已經廣泛應用于大型產品（如航空裝備）的研發過程中，并能大幅提升產品的迭代研制效率。本文基于直升機研制采用的VPM、CATIA系統環境，研究了基于構型項的直升機骨架模型定義與管理模式，通過骨架模塊化設計和模塊配置及更改管理，能夠實現骨架模型多構型配置和快速衍生設計，滿足直升機產品的靈活多樣的構型要求。基于直升機研制關聯關系特點，提出并建立了自頂向下的直升機關聯設計方法和應用流程，為關聯設計在直升機研制中的應用提供了具體的應用路徑。