基于MBD的飞机数字化设计技术应用分析

摘 要：目前国外数字化技术的应用又有了新的发展，以波音公司B787飞机的研制为代表，已经全面采用了基于数字模型定义（Model-Based Definition，简称MBD），并取得了成功。我国的航空工业在新一代飞机研制中也开始应用MBD技术，并取得了突破性进展。为了使得各个业务环节充分利用已有的MBD单一数据开展工作，文章针对如何将MBD技术深入地应用到飞机设计环节，从多方面进行分析阐述。

關键词：MBD技术；设计面向制造；数字化样机

引言

所谓的基于模型定义（MBD）全三维设计技术，是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品的三维模型中的先进的产品数字化定义方法。同时不能简单的理解为尺寸和公差、制造信息的三维定义，实际上MBD是一套研发体系和标准，它涵盖了精益思想、并行工程、设计面向制造、知识工程等研发思想，其目的是产品数字化研制的价值最大化。

1 设计环境

如何搭建基于模型的企业总体架构是数字化企业的发展前提。飞机设计中通常选择ENOVIA LCA/VPM Navigate作为统一的数据管理支持环境，并与CATIA（达索公司开发的计算机辅助设计软件）构建了产品并行设计环境，进行数据创建、存储、查询数据之间的关联关系（如空间位置关系、从属关系等）以及数据的导入/导出，记录控制产品整个设计过程中的工程数据集信息，并实现MBD数字化定义产品数据的共享控制。同时MBD技术应用需要进行二次开发，将企业的设计理念、管理理念贯彻到实际的数据创建/管理过程中，搭建一个科学的现代化设计管理环境平台。

2 设计面向制造

MBD数据一次创建多次使用，且模型是设计制造过程中的唯一权威数据，必须保证模型数据的正确性，即满足客户需求且可制造。其中可制造即创建的MBD模型能够满足制造应用的需求，该MBD模型在后续的生产中可以直接应用（如自动编程）。因此，在飞机设计的早期活动中，制造部门工与设计部门协调沟通，并将制造需求转变为设计要求写入设计规范手册。

零件的几何模型创建过程模拟实际加工过程。对于一个机加件，从生成简单一个毛坯（PAD）开始，以“去除材料”的建模理念，通过凹槽、特征修饰或曲面分割逐步完成产品模型，为了提高模型的可编辑性，设计过程尽量遵循并行设计原则，如所有的凹槽特征形成单独几何体并装配到零件几何体中，加工刀具半径、以及走到轨迹等限制元素须在凹槽结合体内部完成。参见图1典型框肋零件的模型设计过程。

3 数字化样机

3.1 数字化样机的建立

基于MBD技术的数字化样机（DMU）是采用自上而下的设计方法，逐步完善的三维产品结构。完整的数字样机包含产品部件/全机零部件及其设备的完整数字信息模型（含属性），包括结构件、机构件、系统件（含管路、电子部件等）、标准组件、成品件等，满足产品结构和功能要求，可进行工程分析、优化以及数据管理。数字样机演变贯穿飞机整个生命周期，其设计进展情况按项目设计阶段计划要求进行。

概念设计阶段完成空间模型分配，建立初始几何参考和理论线/面，工作包的界面控制数据，通过三维模型方案对比最终确定最优设计方案；初步设计阶段主要是对设计方案的进一步优化，基准数据集和理论模线数据进一步演变并在该阶段出口阶段完成冻结空间配置模型进一步细化，发展成更加具体、详细的部件；详细设计阶段需要完成零件/装配件全三维设计，形成最终直到生产的MBD数据集。零件模型中使用点/线给出紧固件位置信息，对应装配节点下安装紧固件/标准件实体。

3.2 数字化样机的管理

DMU建立过程在整个产品的研发、设计和零件建立原则中扮演重要角色。DMU建立过程的管理包括以下几项任务：（1）成立技术支持团队，辅助工程部门解决DMU研发和管理过程中的问题。（2）不断完善DMU过程，将新技术贯彻到模型创建过程中。新飞机项目应从先前的项目吸取经验，更新并提高DMU建立过程。（3）所有的设计员和相关部门使用统一的设计手册和技术文件，以提高DMU质量。（4）根据飞机项目指定的零件编号系统对零件进行命名管理。（5）工程项目里程碑节点，对相关的DMU信息进行存档，确保信息可追溯。（6）按要求进行三维模型和产品结构检查，发现问题直接反馈设计员进行更改。（7）DMU数据的管理应严格符合研发部门的信息数据管理规则。这些任务从概念定义阶段发起，并贯穿所有的设计阶段。为了最大的优化DMU建立过程，需要创建产品结构树，以显示主要组件、构型项、装配或工作包的高阶层的分解。

4 MBD模型定义

MBD模型数据包括完整的模型定义信息、属性定义信息、尺寸公差标注以及工艺技术要求注释信息等。为了便于设计管理过程标准化，使用统一的模板进行创建零件模型进行定义。模型定义即几何模型定义，其创建过程规范化、标准化，零件结构树管理清晰有序。模型可以轻松的通过知识工程多次重复使用。属性定义涵盖了产品名称、分类等级、材料、毛料尺寸、制造工艺、通用公差等，为了准确传达更改信息为保证属性信息在数据传递中的准确性，大部分属性可以通过提供选项的形式，直接从填写处的定制的下拉菜单中选取，并通过定制的属性检查工具确保信息填写完整性和一致性。三维尺寸标注主要包括零件信息、附注、实体关联相关标注三部分内容。其中零件信息直接与零件属性关联自动生成，涵盖了制造工艺、材料、工艺状态、表面处理、基本毛料尺寸、通用公差等信息，如果属性更改，这部分信息自动更新；附注信息是根据零件实际情况从标准的附注文件中选取；实体关联相关标注主要是在实体上标出的指定的形位公差、基准、定位孔尺寸等。同时要求所有信息通过多个规定的捕获视图直观的呈现，以实现在激活捕获视图时，不需要做任何操作就能清楚的读取设计信息。零件的升版、换号时，通过按规定给出更改视图、制定的颜色标识传达信息。

（1）快速设计。为了适应复杂产品快速、高效地研制需求，定义不同类型CAD数据的设计模板，编制相关建模规范、建立标准件/成品件实体模型资源库、典型特征库、材料库、技术附注数据库等，并创建基于MBD的数字化设计标准与规范以及知识库。（2）关联设计。数字化样机创建过程中，理论模线/面和其他外部参考元素对应产品结构统一做成骨架结构树进行管理，严格制定了关联设计规范、界面共用元素创建规范以及对应管理规范和权限设置。

5 MBD标准检查系统

Enovia CATIA/VPM设计环境中嵌入模型设计规范性检查工具Q-checker，将产品设计的硬性的建模规范和标准制定成检查文件清单对Q-check进行标准检查设置。一方面在CATIA设计环境中可以通过手动激活程序进行标准化检查，同时在Enovia LCA环境中进行后台批处理标准化检查。

6 结束语

数字化制造企业协同制造技术时代，要求在正确的时间传递正确的数据给正确的人，从以往的线性生产转变为并行生产制造。基于MBD的飞机数字化设计技术，正是将为了MBD成为唯一的数据源，从设计、生产到服务，形成数据的反复迭代，因此，针对整个设计过程必须科学、标准化，为了下游制造及时提供准确的数据源。

作者简介：段玲利（1982-），女，河南，大学本科学历，工程师，研究方向：民机工程产品研发。