基于全三维设计的航空紧固件辅助设计系统

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建烨，辛宇娟，屈力刚，杨野光，刘　跃

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）



基于全三维设计的航空紧固件辅助设计系统

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建烨，辛宇娟，屈力刚，杨野光，刘跃

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）

摘 要：MBD模型已成为全三维设计、制造、装配、检验的数据基础。占飞机整体零件数量半数以上的紧固件，传统手工查阅完成紧固件选型的工作方式效率低、错误率高。紧固件种类繁多、造型复杂，传统的MBD三维模型表达方式在加大建模工作量的同时，也使得装配信息冗杂不直观。针对飞机全三维设计过程中，紧固件装配设计重复率高、效率低、准确率低的特点，建立基于全三维设计的航空紧固件智能设计系统。该系统以基于知识的紧固件动态数据库为基础，建立规范化的航空紧固件选用流程，采用紧固件3D点线表达&结构化管理，实现航空紧固件的智能化设计，提高飞机的设计效率、装配效率。

关键词：MBD；动态数据库；3D点线表达；设计效率；装配效率

0 引言

无论是军用、民用，现代飞机采用了大量紧固件，将组成飞机的零件、组件、部件连接成有机整体。紧固件使用数量少则几十万件，多则上百万件；紧固件类型结构多样，需要根据使用部位、使用环境、使用载荷、寿命要求等进行选用。在以往的紧固件设计过程中，一般采用手工查阅方式进行紧固件的选择和信息标注，由于紧固件数量庞大、选用复杂，不仅花费时间长，而且容易出现选型、标注错误，整体设计效率亟待提高。

在飞机体装配设计制造过程中，需要定义及使用大量的与紧固件相关的几何信息和非几何信息；装配设计时需要把紧固件的附属信息、连接信息等内容附加到三维模型上，生成完整的三维数字化产品定义；然后交付装配车间，装配工程师从模型中快速获取所需要的装配数据，从而从设计数据到装配数据的快速传递。

图1　紧固件数据库结构图

通过通用软件，设计人员需要手工定义及获取数以万计的紧固件信息，其中包括：紧固件牌号、紧固件安装位置等，这将是一项繁琐、易错、费时的工作；同时，定义和共享这些信息时，信息的自动同步、三维CAD系统地通用化是必须考虑的问题。工程师需要综合紧固件信息建立正确的使用规范，在满足规范要求的前提下，高效定义制造过程的不同阶段状态，确保最终产品满足工程要求。

图2　螺栓主辅对应关系

1 基于知识的紧固件数据库

各个航空企业针对自身研发的机型，都有自己内部独立编汇总、编纂的紧固件手册。设计人员人工查阅三四百页的紧固件手册，综合考虑零部件位置、载荷要求、变形程度等因素，确定紧固件规格。计人员主要确定紧固件几何信息，非几何信息的表达（如装配技术要求、开口销类型、润滑、热处理、表面处理等）对装配过程也有重要影响。针对紧固件数量大、数据信息冗杂、选用规则繁琐、主辅关系多样的特点，建立一个基于知识、可实时查询/更新的紧固件数据库势在必行。将二维纸质的紧固件信息转化成动态数据库，成为紧固件快速安装系统的前提与基础。图1为紧固件数据库结构图。

2 规范化的航空紧固件选用流程

紧固件参数数据库严格依照《飞机标准件手册（上）》（2014年3月第1版，以下简称“手册”）中记录的紧固件参数进行录入，其中涉及紧固件标准约350项，规格约21000个。紧固件标准繁多，选型复杂例，将紧固件手册中的主辅对应关系梳理清楚，建立一套严谨、通用性较强的紧固件选用逻辑。遵循紧固件选用逻辑建立的动态数据库使得紧固件选用过程规范化、智能化。图2为螺栓主辅关系对应表。图3为螺栓选型示意图。

3 航空紧固件的3D点线表达

全三维设计中，MBD概念旨在将产品设计、制造、装配过程中的所有信息集成在产品的三维模型中，以实现无纸化的三维数字集成制造。紧固件占飞机零件总数半数以上，种类繁多、数量巨大，选型繁琐。在遵循MBD信息集成化的原则下，采用“3D点线”方式表示航空紧固件。其中，点的物理属性代表紧固件的安装位置；直线的物理属性：长度，代表紧固安装前/安装后的轴向尺寸；方向，代表紧固件的安装方向。图4表示基于MBD的紧固件信息分类。CATIA软件环境下紧固件的3D点线表达如图5所示。

图3　螺栓选型示意图

图4　紧固件3D点线表达示意图

图5　CATIA软件环境下紧固件的3D点线表达

4 紧固件信息结构化管理

“点线”方式是针对单个紧固件的信息表达方式；面对同一机型研制过程中数以万计的紧固件，需建立一种宏观角度上更为合理的紧固件管理方式。利用CATIA 的.CATPart文件实现紧固件相关信息的存储；根据CATIA特征树的理念，确定以“夹持组”为基础进行紧固件信息的分类管理。紧固件结构化管理示意图如图6所示。

图6　紧固件结构化管理示意图

5 实例验证与结论

以平锥头空心铆钉HB1-601为例，进行实例验证。HB1-601主辅对应关系如图7所示。

6 结论

基于全三维设计的航空紧固件智能设计系统使得紧固件数据管理简便、高效化；紧固件选用规范化、智能化；紧固件选用结果形象直观。

图8　创建夹持组

图9　铆钉选型过程图

图7　平锥头螺纹空心铆钉主辅对应图

【下转第23页】

检测与监控

作者简介：郭建烨（1971 -），男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事数字化设计与制造方面的研究。

收稿日期：2015-10-22

中图分类号：V261

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)01-0009-03