飛機全三維數字化建模方法大全

產(chǎn)品數字化建模意味著(zhù)整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，產(chǎn)品不同階段的信息可以數字化展示、處理和交換。數字化建模技術(shù)在產(chǎn)品的設計制造中占有極其重要的地位，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要手段，隨著(zhù)三維CAD設計軟件的普遍使用，數字化建模技術(shù)已逐漸成熟完善，但隨著(zhù)MBD技術(shù)在飛機研制中的應用，產(chǎn)品數字化建模技術(shù)的內涵在不斷地豐富和擴展。

一個(gè)完整的數據模型是所有幾何信息和非幾何制造信息的集合體，它包含了3個(gè)基本因素：第一個(gè)是產(chǎn)品生命周期的不同階段屬性信息和特征的集成；第二個(gè)是產(chǎn)品屬性信息及形狀、特征、尺寸、公差能夠數字化表達、處理和轉換；第三個(gè)因素就是集成化的模型應該在分布式環(huán)境下管理，便于協(xié)同設計，三維實(shí)體模型能夠作為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據。

MBD技術(shù)促使CAD/CAM與PDM/PLM的結合越來(lái)越緊密，產(chǎn)品的數字化建模技術(shù)的概念也擴展為3個(gè)層次：最低層是產(chǎn)品數字化模型數據，中間層是產(chǎn)品模型數據的數字化轉換，最頂層是產(chǎn)品數據管理系統。MBD技術(shù)的應用不僅僅是在產(chǎn)品設計中建立數字模型，而是要建立一個(gè)面向產(chǎn)品PLM協(xié)同研制的基于MBD模型的數字化技術(shù)體系，建立基于MBD模型的單一產(chǎn)品數據源的分布式、動(dòng)態(tài)協(xié)同工作環(huán)境，用于支撐整個(gè)供應鏈的相關(guān)設計、制造單位（部門(mén)）的高效協(xié)同工作，確保產(chǎn)品研制數據的一致性、有效性、安全性、完整性和可追溯性。

1. 數字化建模的發(fā)展歷程
產(chǎn)品數字化建模技術(shù)源于幾何圖形化建模技術(shù)，20世紀50年代至今，幾何建模技術(shù)經(jīng)歷了線(xiàn)框造型、曲面造型、實(shí)體造型3個(gè)階段。線(xiàn)框造型與曲面造型因其自身的缺點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足工程需要，隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，很快被實(shí)體造型取代。實(shí)體造型是20世紀70年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的造型技術(shù)，比曲面造型增加了三維體的實(shí)心部分的表達，得到了三維形體的無(wú)二義性描述，能夠在一個(gè)完整的幾何模型上實(shí)現零件的質(zhì)量計算、有限元分析、數控加工和消隱渲染圖的生成。20世紀90年代，美國PTC公司在實(shí)體造型的基礎上引入參數化特征造型技術(shù)，將幾何建模技術(shù)推到一個(gè)新階段。目前，主流CAD軟件均采用參數化特征造型作為主要的幾何建模手段。參數化特征建模多局限于零件建模本身，對于具有復雜裝配結構的產(chǎn)品，零件間的參數化很難驅動(dòng)，在參數化建模原理上引入關(guān)聯(lián)設計技術(shù)，開(kāi)發(fā)出與CATIA無(wú)縫集成的VPM（Virtual Product Management）產(chǎn)品數據管理系統，在全三維設計過(guò)程中，通過(guò)建立模型之間的相互依賴(lài)關(guān)系，從而實(shí)現飛機研制中上下游專(zhuān)業(yè)設計輸入與設計輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系。此階段雖然實(shí)現了三維的關(guān)聯(lián)設計，但在建模過(guò)程的最后仍然要從三維模型投影生成二維工程圖，存在巨大的工時(shí)浪費和更改管理困難。在21世紀初，美國機械工程的協(xié)助下開(kāi)始有關(guān)MBD標準的研究和制定工作，并于2003年使之成為美國國家標準（ASME Y14.41-2003)，隨后CAD把此標準設計到工程軟件中。在經(jīng)過(guò)737-NX型號中初步應用MBD技術(shù)后，2004年開(kāi)始在787客機的設計和制造中全面應用MBD技術(shù)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)系列化建模工具，將參數化與知識工程融合，將全三維數字化建模技術(shù)推向更高的應用程度，徹底擺脫二維工程圖紙，真正的實(shí)現了向三維數字化設計制造一體化轉變。

2. CATIA環(huán)境下數字化建模的方法
CATIA以其先進(jìn)的混合建模技術(shù)、在整個(gè)產(chǎn)品周期內的方便的修改能力、所有模塊的相關(guān)性和并行的設計環(huán)境使得它能支持從概念設計到產(chǎn)品實(shí)現的全過(guò)程,它也是世界上第一個(gè)實(shí)現產(chǎn)品數字樣機開(kāi)發(fā)的軟件,是全球航空業(yè)界普遍使用的一個(gè)集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境。飛機自身特點(diǎn)決定了其在產(chǎn)品設計上具有產(chǎn)品結構復雜、零部件數量龐大、材料種類(lèi)繁多、產(chǎn)品制造上具有工藝專(zhuān)業(yè)種類(lèi)多等特點(diǎn)。CATIA針對不同工藝類(lèi)型的零件如：機加件、鈑金件、復合材料件、管路件等開(kāi)發(fā)了不同的模塊來(lái)滿(mǎn)足不同的數字化工藝制造要求。對于不同的零件，設計者采用不同的建模方法和建模思路關(guān)系到零件數字化的過(guò)程，影響著(zhù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。CATIA環(huán)境下建模方法主要有以下6種：

（1）正向設計。這是常規設計中使用最多的一種方法，設計者根據經(jīng)驗，按照建模規范逐步建模，根據不同的成形工藝，模型可以是表面模型或者實(shí)體模型，要求設計尺寸精確，以滿(mǎn)足數字化制造要求。傳統情況下要根據投影關(guān)系利用CATIA工程圖模塊繪制二維工程圖，MBD模式下只要在三維數模上利用CATIA三維標注模塊完成相關(guān)尺寸及公差等標注，三維模型直接作為制造的唯一依據。

（2）逆向工程。它是將實(shí)物轉變?yōu)槿S模型的相關(guān)數字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱(chēng)，即將已有產(chǎn)品或實(shí)物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng )造，是一種以實(shí)物（油泥模型）為基礎產(chǎn)生三維數據的設計過(guò)程，這一建模技術(shù)早期在我國飛機、汽車(chē)、機械產(chǎn)品的仿制中普遍使用，是產(chǎn)品設計的初級形式，該技術(shù)帶動(dòng)了三維CAD軟件的廣泛使用，推動(dòng)了這些行業(yè)的快速發(fā)展。

（3）標準件建模。隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，有一部分零件已經(jīng)被標準化，形成了國標、航標等標準件，這類(lèi)零件可以利用CATIA的標準件庫模塊一次建模、重復引用，從而節約建模時(shí)間，加快設計進(jìn)度。

（4）參數化設計。就是將模型中的定量信息參數化，建立圖形約束和幾何關(guān)系與尺寸參數的對應關(guān)系，通過(guò)改動(dòng)圖形的一個(gè)或多個(gè)尺寸或是修改已定義的零件參數，自動(dòng)地響應對圖形中相關(guān)部分尺寸的變動(dòng)，從而完成對圖形的驅動(dòng)。

（5）二次開(kāi)發(fā)建模。CATIA為了滿(mǎn)足不同用戶(hù)的使用需求，給用戶(hù)預留了進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的接口，CAA（Component Application Architecture，組件應用架構）為用戶(hù)提供了一系列開(kāi)發(fā)工具，用以實(shí)現宏程序執行、幾何形體生成等功能。MBD技術(shù)的應用將產(chǎn)品的參數化和二次開(kāi)發(fā)建模技術(shù)融合并提升到智能設計階段，在設計中融入更多的工程知識和規則，實(shí)現更高層次上的數字化建模。

（6）關(guān)聯(lián)設計。在三維設計過(guò)程中，通過(guò)參數化設計技術(shù)建立模型之間的相互依賴(lài)關(guān)系，從而實(shí)現產(chǎn)品設計中上下游專(zhuān)業(yè)設計輸入與設計輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系。關(guān)聯(lián)設計技術(shù)把單個(gè)零件的參數化建模技術(shù)上升為模型和模型之間的幾何元素的驅動(dòng)關(guān)系，是目前國內外飛機研制的最新的、主要的建模方法，使飛機的研制流程從串行研制模式向并行協(xié)同的關(guān)聯(lián)設計模式轉變。

3. 基于VPM的關(guān)聯(lián)建模技術(shù)
關(guān)聯(lián)設計是數字化技術(shù)應用到一定水平、數字化設計和產(chǎn)品數據管理高度融合的結果。波音把關(guān)聯(lián)設計列為B787飛機研制十大技術(shù)成果的第一位，足見(jiàn)關(guān)聯(lián)設計技術(shù)在飛機研制數字化技術(shù)應用中的重要性。ENOVIA VPM為實(shí)施基于CATIA V5的在線(xiàn)關(guān)聯(lián)設計而搭建的協(xié)同平臺，其關(guān)聯(lián)設計主要基于以下技術(shù)實(shí)現：

（1）參數化建模：創(chuàng )造一個(gè)零件的幾何變量或參數使用；

（2）關(guān)聯(lián)建模：在不同的數據模型之間建立鏈接；

（3）在配置的環(huán)境中進(jìn)行在線(xiàn)設計。

VPM環(huán)境下，提供以下幾種工具實(shí)現關(guān)聯(lián)設計：

（1）Reference to Reference，這是在兩個(gè)CATIA文件之間的鏈接，這些鏈接只考慮到幾何之間的關(guān)系，但不考慮零件在某一個(gè)特定產(chǎn)品中的相對定位。如在進(jìn)行螺母螺釘的設計時(shí)，允許在設置螺母直徑時(shí)，將其與螺釘直徑建立關(guān)系。這樣如果修改了驅動(dòng)兩個(gè)元素之一，其直徑將自動(dòng)更改。

（2）Instance to Instance，在一個(gè)產(chǎn)品的實(shí)例之間的相對定位的鏈接，沒(méi)有驅動(dòng)幾何，適合于裝配約束。設計一個(gè)螺栓，實(shí)例實(shí)例鏈接提供設計員設置螺栓螺母的相對位置?？梢越⑼S度和螺母和螺栓頭之間的距離限制。如果移動(dòng)其中一個(gè)元素，另外一個(gè)元素將遵循并保持在正確的相對位置。

（3）Instance to Reference，這個(gè)類(lèi)型的鏈接既考慮到了模型幾何之間的鏈接關(guān)系，又考慮到了零件之間的位置關(guān)系。這種關(guān)系就是講前面2種關(guān)系的組合使用，在關(guān)聯(lián)設計中骨架模型與零件之間的聯(lián)系就是此種鏈接。

飛機設計過(guò)程是一個(gè)不斷更改和迭代的過(guò)程，上游設計的更改往往會(huì )引起下游設計的更改，在VPM環(huán)境下可通過(guò)以上手段建立骨架模型，把模型的參數化設計上升為模型和模型之間的幾何元素的驅動(dòng)關(guān)系，設計更改通過(guò)骨架模型自上向下傳遞，最后驅動(dòng)零件模型的更改。飛機研制過(guò)程中，必須在概念研制階段就制定詳細的關(guān)聯(lián)設計規劃，根據型號的特點(diǎn)，對結構進(jìn)行合理的組織和劃分，總結和梳理出對象各部分之間的相互影響關(guān)系，建立上下游設計之間的約束和控制關(guān)系，以形成產(chǎn)品骨架模型合理的層次關(guān)系，使得骨架之間的影響關(guān)系易于控制。骨架模型作為關(guān)聯(lián)設計的神經(jīng)中樞，驅動(dòng)著(zhù)下游的零件設計，骨架模型劃分的是否合理，將決定自上向下關(guān)聯(lián)設計的成與敗。骨架模型劃分的合理，數據更新在各層級骨架模型間實(shí)現順利傳遞，并最終驅動(dòng)零件數據更新；骨架模型劃分不合理，可能會(huì )導致某些骨架過(guò)于龐大、骨架模型載入緩慢，發(fā)布元素結構樹(shù)很難管理，元素不集中，設計員不易查找、調用，影響設計效率，骨架模型維護困難，嚴重的可能導致下游數據無(wú)法更新。

4. 機加、鈑金件全三維數字化建模技術(shù)
機加、鈑金零件的幾何模型既是運動(dòng)仿真的前提，也是進(jìn)行有限元等分析的必要條件，更是工藝和數控編程等制造過(guò)程的基礎。目前國內外飛機設計制造領(lǐng)域，機加、鈑金類(lèi)的金屬零件已率先實(shí)現了在CATIA環(huán)境下的全三維數據集定義，三維模型完全取代了傳統的工程圖紙，實(shí)現了無(wú)紙化設計制造。MBD模式下零件的建模不僅要考慮建模的順序及品質(zhì)達到工藝及數字化加工的要求，而且要考慮建模的效率，還要兼顧設計和制造之間數字化傳遞數據的管理問(wèn)題。建模的基本技巧和規范只是最基本的建模技術(shù)，全三維模式下不但要充分利用好參數化的特征定義與控制，利用好三維模型的表現力，更好、更準確地表達設計意圖，更要充分利用知識工程模塊，實(shí)現建模智能化，使工程信息的抽取和知識的挖掘變的更為容易。

MBD模式下參數化建模包含2個(gè)方面內容：

（1）幾何信息的參數化建模。

幾何信息主要包括零件實(shí)體、工程幾何、外部參考和構造幾何等。對幾何信息的操作主要是對參數的操作，首先應該對零件參數進(jìn)行分析，目的在于對零件參數進(jìn)行分類(lèi)，并在零件參數中提取能直接驅動(dòng)結構的主參數。這些參數可以分為3種類(lèi)型：一類(lèi)是不變參數，它是指在零件的各種變型中始終保持不變的參數。第二類(lèi)是可變參數，是指在零件的各種變型中可以改變的參數。還有一類(lèi)是導出參數，是指由其他參數計算出來(lái)的參數。

（2）非幾何信息的參數化建模。

非幾何信息主要有通用說(shuō)明、零件說(shuō)明、標注說(shuō)明、材料描述、基準、尺寸和公差標注、管理信息等。

MBD模式下基于特征的參數化建模必須綜合考慮幾何信息和非幾何信息的參數化，充分利用CATIA提供的KWA（知識顧問(wèn)）、KWE（知識專(zhuān)家）、PKT（知識模板）等知識工程應用手段，借助CATIA先進(jìn)的CAA二次開(kāi)發(fā)工具,將設計過(guò)程中的設計準則、規范、原理、經(jīng)驗等采用IF-THEN形式表達,建立相應設計規則庫,存儲大量的設計規則、設計規范、設計原理和設計經(jīng)驗,組成企業(yè)的基礎結構庫。

圖1是某型號飛機的全機結構電子樣機，圖中的機體結構件多為具有相似特征的機加、鈑金件。通過(guò)分析結構件特點(diǎn)、整理結構件信息，總結典型特征，將不同系列的典型結構件模板模型參數化，即在結構模板基礎上，用一組參數與一系列基準要素來(lái)約束定義模型圖形，對于不同的幾何模型，可以通過(guò)修改參數，重新選取建?；鶞黍寗?dòng)模板發(fā)生變化，達到參數化的目的，并通過(guò)特征拼接技術(shù)實(shí)現變型設計，提高建模的效率和規范性，這是當今數字化建模的高級形式。


圖1 飛機主要結構電子樣機

5. 標準件的數字化建模技術(shù)
在飛機機體裝配設計/制造過(guò)程中，需要定義及使用大量的標準件，通常標準件的數量占全機零件數量的80%左右，為了提高效率，航空企業(yè)普遍采用了CATIA或VPM提供的標準件庫功能，利用知識工程（KnowledgeWare）模塊中的Formular命令、Design Table命令以及Catalog命令功能進(jìn)行參數化標準件建模。在建模時(shí)首先利用Formular命令建立參數，并為這些參數合理地命名，在建立模型時(shí)把這些參數同模型的主要尺寸關(guān)聯(lián)起來(lái)，之后利用Design Table的命令把這些模型參數存儲到表格中，最后將數據表格與模型同時(shí)入庫，也就是Catalog功能，在使用時(shí)實(shí)時(shí)利用表格之中的參數進(jìn)行模型的驅動(dòng)，生成新的模型，從而形成標準件的系列化和組合化，一次建模、重復引用。這種建模方法對實(shí)例化的標準件非常實(shí)用，大大提高了效率，一定程度上滿(mǎn)足了型號研制的需要。采用MBD技術(shù)后，標準件的使用方式發(fā)生了根本變化，如果全機所有標準件全部進(jìn)行實(shí)例化引用，數據量巨大，設計員的重復工作很多，浪費時(shí)間，管理也不方便，因此出現了標準件的簡(jiǎn)化表達技術(shù)。

MBD模式下，標準件中的緊固件類(lèi)標準件簡(jiǎn)化表達通常采用點(diǎn)、線(xiàn)、圓組合的方式表達，點(diǎn)代表緊固件頭部的位置，線(xiàn)代表緊固件最終的長(cháng)度和方向，圓代表螺母、墊圈、釘套的位置。在CATIA中采用幾何圖形集的形式來(lái)表達緊固件的結構化數據，幾何圖形集的名稱(chēng)為緊固件的牌號和規格，幾何圖形集下以參數的形式對緊固件的名稱(chēng)、重量、重心、規范及要求進(jìn)行表達。因緊固件定義具有重復性，利用CATIA的CAA二次開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)快速定義工具及簡(jiǎn)化表達緊固件知識庫，簡(jiǎn)化表達緊固件知識庫和實(shí)體標準件庫的的標準件參數應相互關(guān)聯(lián)，為了便于電子樣機的干涉檢查，簡(jiǎn)化表達的緊固件可以實(shí)時(shí)調用實(shí)體標準件庫的輕量化數模進(jìn)行裝配檢查。緊固件定義采用知識推理的機制，根據連接面的距離，自動(dòng)計算緊固件的長(cháng)度，按照緊固件的關(guān)聯(lián)組合，自動(dòng)進(jìn)行緊固件的匹配選擇，并完成緊固件的信息提取、數量統計、牌號統計、以XML結構化格式對緊固件BOM輸出、實(shí)現緊固件信息的集成和共享。

6. 結束語(yǔ)
隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和MBD技術(shù)的廣泛應用，數字化建模技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，本文簡(jiǎn)要概述了數字化建模的發(fā)展階段，總結了當今主要的數字化建模方法，闡述了MBD模式下關(guān)聯(lián)設計建模、機加和鈑金參數化建模、標準件建模的主要技術(shù)。在新時(shí)期、新研制模式下，如何快速、準確、規范的完成產(chǎn)品的數據建模，并把數據模型作為制造的唯一依據已是航空企業(yè)為提高設計質(zhì)量，縮短設計周期、降低研制費用的有力武器，也是我們探索建模技術(shù)的方向，隨著(zhù)數字化技術(shù)應用的廣度和深度不斷加強，數字化建模技術(shù)將更加智能化、知識化。