发动机设计特征库的开发与应用研究

葛玉姣 杨 宁 郭桃红

（沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）

1 现状

目前航空发动机行业广泛应用NX进行发动机产品零部件设计，特征建模技术已经得到了普遍的应用，使设计的效率大大提高。但是，其特征机制在满足用户部分要求的同时，却显示出一些不足，主要表现为缺乏更好的建立和使用复杂特征的方法。虽然可以采用参数化设计等方式，通过几个参数的改变实现不同的零件设计的目的，但由于零件的建立过程中特征历程树的自由性（如特征可以重新排序等），造成构建的特征历程与其生成的特征间的相互依赖性很强，使设计变得更为复杂。

随着MBD技术在航空发动机行业的应用，目前已形成了相应的信息标识标准，但是目前MBD技术在发动机复杂结构件上的应用仍存在众多问题，由于零件复杂、标注尺寸过多，导致MBD模型在可读性、易识别性和美观性等方面面临着众多问题，由零件复杂、标注尺寸过多等引起的“刺猬图”现象已成为制约MBD技术有效应用的因素。

2 设计特征库的实施及意义

为了减少发动机设计过程的重复建模，设计历程中特征的相互依赖性，以及MBD模型标注的复杂性，采用用户定制的复杂特征以及采用代号标印标注来简化这些工作：不再强迫设计人员遵循某一特定的设计格式，而是将简单特征综合起来成为功能全面，意义更完整的复合特征。这样，在该复合特征中预先设定变化的参数及定位信息，使复杂的特征彼此间有更好的对立性，利用已有的复杂特征，既不必进行大量的重复工作，又容易修改维护。从而提高工作效率，以便实施快速设计；采用代号标印的方式进行MBD模型定义，用一个代号标印代替一组标注信息，标注在模型特征上，简化了标注内容。

通过基于MBD技术的数字化定义资源和方法研究，结合基于MBD的设计特征系列标准，构建规范化的发动机设计特征数据库，突破面向制造的零组件三维标注与模型查看等关键技术，进行重点型号产品研制的应用验证，满足发动机产品数字化定义研制需求，提高发动机产品设计效率，缩短研制周期，提升产品研制的标准化、规范化水平。为三维数字化设计技术在发动机制造行业的相关应用提供示范，全面提升航空发动机行业的核心竞争力。

3 需求概述

发动机设计特征库软件应满足设计人员基于MBD的数字化研制需求，基于MBD的设计特征系列标准进行开发，应满足如下功能：

（1）便于检索和调用的界面，并能方便快捷的完成特征的调用；（2）常用参数的选择功能，对于有些特征可以直接选择常用的参数，不需要重复输入；

（3）编辑特征的功能，方便调整特征参数和定位信息；

（4）在特征创建后，能自动为特征生成与模板中标注一致的PMI信息，并将PMI信息自动分配到相应的预定义模型视图中；

（5）简化标注信息，采用代号标印替代一组标注信息；

（6）系统基于Teamcenter和NX平台，实现数据共享、保证数据的一致性和有效性；

（7）系统具有可靠的稳定性。

4 设计特征库构建

4.1 构建思路

依据单一数据源的设计和管理思想，基于特征库“全局性考虑、规范性构建、权威性验证和安全性访问”的构建原则，借鉴航空企业数据库的建设经验，按照标准化建库方法，发动机设计特征库的建设方案如图1所示：包括设计特征库体系架构的构建、设计特征库通用要求及相关指导标准编制、发动机设计特征库构建、系统集成应用与验证、设计特征系统部署应用、设计特征库系统维护等工作。

图1 设计特征库建设方案

4.2 设计特征库体系架构的搭建

设计特征库的体系结构可以分为3层，如图2所示，分别为支撑层、功能层和用户界面层。

支撑层主要为通过Teamcenter服务器，提供对特征数据管理、存储的最基本功能。

功能层是根据系统的管理目标，提供相应的功能模块，特征调用、特征编辑、特征标注、特征管理和更新模板。

界面层：提供交互式的人机界面，使设计方便的应用特征库。

图2 设计特征库体系结构与功能模块图

4.3 设计特征库通用要求及相关标准编制

针对航空产品的研制管理模式，基于“健全标准”原则，编制《基于模型的定义 通用结构特征》、《基于模型的定义 典型零件结构特征》和《基于模型的定义 结构特征库通用要求》三项标准，用以指导、规范发动机设计特征库的构建。

标准中对通用结构特征和典型零件结构特征的分类层次进行要求，对特征结构形式、标识、模型参数和标记示例等进行规范，提出设计特征库的构建和应用要求，为发动机设计特征库的建设和实施提供标准支持和规范。

4.4 设计特征库特征建立

4.4.1 特征库类层次结构

设计特征库包括通用结构特征库和典型零件结构特征库，其中，通用结构特征库的分类层次结构见图3，典型零件结构特征库的分类层次结构见图4。

图3 通用结构特征库的分类层次结构

图4 典型零件结构特征数据库的分类层次结构

4.4.2 特征参数表

特征参数表变量的命名应采用英文字母、阿拉伯数字和下划线“_”的组合，且第一位只能是英文字母。参数表结构主要记录特征标识、几何参数和特征定位等信息，见表1。

4.4.3 基于UDF的特征构建

在NX环境下，采用UDF模块定义通用、典型特征。本文以渐开线圆柱直齿轮特征的构建为例进行具体介绍。

表1 特征库表结构示例

1）参数化建模

在NX的环境下，采用参数化建模的方式建立渐开线圆柱直齿轮。模型分为渐开线轮廓齿、齿轮圆柱体、辐板和减重孔四部分，其中辐板和减重孔为可选特征，在建模过程中采用“表达式抑制”实现特征的抑制特性。模型如图5所示。

图5 齿轮特征

2）用户自定义特征

选择NX工具条“用户自定义特征”，启动向导，进入UDF定义界面。

（1）定义特征名称

在 “用户定义特征向导”界面，指定特征名称、部件名为“zhichilun”,如图 6 所示。

图6 用户定义特征向导界面

（2）添加UDF模型特征

将齿轮参数化建模中的特征（除参考特征外）添加到UDF模型中，作为UDF模型特征，并勾选“允许特征爆炸”,如图7所示。

图7 添加UDF模型特征

（3）定义可编辑表达式

在“用户定义特征向导”的表达式界面中，根据齿轮参数化建模表达式选择UDF模型可编辑表达式，即设计人员在创建特征时需要编辑的参数，并确定表达式规则，如图8所示。

图8 定义可编辑表达式

（4）建立特征参考

在调用UDF时，需要确定特征创建时的参考，在导向框中，NX将显示出所有特征创建的必要参考。

导向框中为齿轮参数化建模中创建预先定义的偏置坐标系“CSYS”,如图 9 所示。

图9 建立特征参考

（5）确定 UDF 模型

确认UDF模型定义是否正确，如有错误，返回“上一步”进行修改，否则选择“完成”。

系统默认创建的UDF模板存放在NX7.5UGII文件夹，将模版文件转移至“模板汇总”对应文件夹中。

4.5 系统集成应用与验证

发动机设计特征库系统实施过程中，应选取发动机数字化设计的典型结构进行工程应用验证，根据实际应用中的问题及时协调。对数据库进行补充和完善使其达到工程化应用的水平。

4.6 设计特征库系统部署应用

软件服务器端和PDM紧密集成，部署在同一台服务器上。客户端部署在各设计部门的PC机，要求具备NX7.5和TC8.3软件运行环境。

设计人员可通过安装设计特征库软件，实现发动机产品数字化辅助设计。选择或检索特征，确定需要调用的特征模型，输入尺寸参数及定位信息完成对特征的编辑，根据特征模板和数据文件为特征自动添加PMI信息，包括：尺寸标注、形位公差标注、注释、表面粗糙度等PMI信息，同时可采用简化标注功能提高MBD模型可读性、易识别性。

4.7 设计特征库系统维护

4.7.1 特征库模板管理

特征库具有可扩展性，通过“特征管理”模块实现对特征模板的创建、删除、编辑及分类特征模板，满足设计对特征库模板不断扩充、完善的需求，特征模板管理界面如图10所示。

图10 特征模板管理界面

4.7.2 数据导入

管理员需要将特征模板数据导入到TC中，以保证特征库客户端可以获取。

5 前景与展望

随着经济全球化、信息一体化的快速发展，尤其是MBD技术深化应用，基于模型定义（MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势。设计特征库与我所研发平台紧密集成，将会在我所承研的所有型号发动机数字化设计过程中取得应用，有效提高设计质量和研发效率。

基于发动机设计特征库强大的扩展性和继续定制开发的能力，成熟的应用框架和前后端扩展开发能力，可以在未来满足以模型文件为核心的数据管理的更多、更高需求。通过对系统的不断完善以及应用框架不断开发，可以实现规范化零件库的构建。为航空发动机型号设计提供便捷的资源平台，为航空产品的设计提供标准规范的基础支撑，为三维数字化设计技术在发动机制造行业的相关应用提供示范，全面提升航空发动机行业的核心竞争力。