浅析数字化关联设计在飞机设计中的应用∗

陈 双徐 望

（1.92578部队 北京 100161）（2.91197部队 青岛 266000）

1 引言

数字化关联设计已经在国内的航空工业开始逐步应用，这种理念更加重视协同合作，依赖日趋成熟的网络平台技术，拥有广阔的发展前景。利用数字化设计技术改变传统的设计及管理模式，以提高产品研制水平，缩短研制周期，降低成本［1］，提高快速响应能力和竞争能力是国防工业的当务之急，是实现科研生产信息化的具体要求。同时通过CATIA的三维尺寸标注的应用代替二维工程图作为产品检验的依据，使尺寸的公差标注更为直观，减少了二维工程图造成的理解上的偏差，使得制造部门可以通过这些相应的手段，使整个产品的设计、制造、检验流程成为真正的无图制造流程，并且通过数字化关联设计，可以将过程和信息有效地集成在一起，让各种相关产品从设计概念到制造，直至报废的全寿命周期，全面支持与产品相关的协同研发、制造、管理、分发和使用信息［2］。

2 CATIA VPM关联设计平台

CATIA软件中ENOVIA V5的设计数据管理平台简称VPM Navigator。通过CATIA V5连接ENOVIA服务器进行产品的关联设计，以型号分类建立产品树来进行数据的管理，主要包含的数据有：产品的组织结构、顶图。产品的组织结构表示各个分系统的组成，顶图为各分部件的顶层装配件。飞机设计中各个专业的组织结构都按类别挂在产品树下，将产品树下的结构部分展开，其下包含“总论”，和各大部件的组织结构，再将“中机身”组织结构展开，其下包含中机身骨架模型，各部件的顶图等装配单元，也可包含协调文档等零件单元［3～4］。文档存放于统一的服务器中，及时设计及时更新，大大方便了在线设计中的协调工作。详见图1。

图1 产品的组织结构

3 数字化关联设计

3.1 零件信息的数字化

零件信息的数字化就是把零件的公差、特殊尺寸、测量基准、标准特征（如下陷、加强槽等）、热处理、表面处理、协调更改情况、附注、对称情况等信息集成在三维零件模型中，在二维图纸中所包含的信息均在数字模型中表示。由于模型为全尺寸模型，所有的尺寸均为定义尺寸，所以零件三维标注的主要作用是将零件的公差尺寸、特殊尺寸和标注说明等信息标识在零件实体上。应该注意的是，对于标注繁多的零件，应多运用“捕获”命令将表达极尽清晰，方便数据的读取。零件信息的数字化数据集合构成见图2所示。

3.2 装配信息的数字化

每个装配件下都存放一个编号后缀特殊的模型文档（用于装配信息的集成表达），里面存放该装配件的全部信息。装配信息中最主要的部分是零件的装配关系，连接件信息，数字模型中用打在参考曲面上的几何点来标识连接件的位置，用排布线表达边距的要求，有层次顺序要求或层次限制要求的可以将说明列在连接件牌号几何图形集下。装配件模型中存放了该装配件所有零件的外表面，和与之有连接关系的零件的外表面，外表面与零件接口关联，零件发生改动后，装配件模型也随之变化，连接件也可自动更新。国内先进的飞机制造单位已经在大型壁板，蒙皮型材的装配上使用数控钻铆机，这种技术必须得到数字化模型的支持，装配件单元的引入大大节省了人力资源也有效缩短了生产周期［5］。装配信息的数字化数据集成构成见图3所示。

图2 零件信息的数字化集合

图3 装配信息的数字化集合

3.3 关联设计

3.3.1 关联设计思想

关联设计的初衷是为了解决设计的及时性方便更新，而更好地实现在线设计。所谓的飞机在线设计是在电子数据管理系统控制下的飞机设计技术。在线设计要求所有涉及人员在同一电子样机下进行协同工作，其特点是设计人员在开始设计时，CAD系统就要和数据管理系统建立连接，在设计过程中，设计结果直接存入数据管理系统［6］，通过在线设计方式使得设计数据能够得到及时共享，设计协调实时在线进行。关联设计简单的说是一种特殊形式的参数化设计方法，其驱动参数为上游设计的几何特征（如曲面、曲线、轴线、坐标平面等）。关联设计表现为上游对下游设计的自动影响关系，上游设计更改，可以驱动下游模型自动进行更新［7］。

3.3.2 关联设计的链接

在关联设计中每个零件都有三个链接属性：位置（Instance），参考（Reference），文档（Document）。位置属性反映零件的父级装配关系，参考属性反映零件实例化的调用关系。

在设计过程中，几何元素间的链接关系包含两种类型：

引用类型：通过VPM-Session（VPM会话）建立其几何元素间的位置关系为坐标位置关系。是引用与引用间的关系，不影响装配（实例）环境下的常规约束定位。

实例类型：通过上下文设计环境建立其元素间的位置关系为相对位置关系，生成的元素的位置与所参考的实例的位置相一致。是实例与实例之间的关系，具有约束定位功能，可改变位置。

3.3.3 骨架模型的使用和分布

关联设计中上游设计对下游模型的影响主要通过接口元素进行，而骨架模型是具有联系的接口及其接口间关系的集合。骨架描述了设计对象的基本几何特征和设计要求。骨架设计思想是先总体规划，后细化设计，采用自上而下的设计方法，在总体骨架控制驱动下，各专业完成本专业子骨架设计，继续向下驱、关联直到由设计人员完成具体的零件［8］。关联设计中常使用的骨架有独立骨架模型和附属骨架模型。独立骨架模型是仅包含骨架信息的三维模型（PART）；附属骨架模型既包含骨架信息又包含工程设计内容的三维模型，如某个装配中可以设立一个高级别的零件模型，其他模型引用该零件中所发布的参数、几何元素、公式或实体等元素，当这个附属骨架模型更改后，引用其接口的模型也随之更新。不过一定要注意避免接口的循环引用，即低级模型和高级模型互相引用时系统检测到更新循环［9］。

骨架在产品结构中的分布，一般情况下系统、分系统级别的骨架要放在代表该系统、分系统的组织结构下。分系统以下的骨架放在所在的装配件或零件中，对于多个分系统参考使用的骨架模型，要分布在其上一级的设计总论中［10］。如图1中所示，骨架模型以统一的命名方式命名，并以PART形式存在于各级层次之中，RFM_表示独立骨架模型。骨架模型理论上是相互关联的，是具有唯一性的数据，为方便各个专业各个部件的设计要求，可以在总的骨架模型下衍生并细化出分系统的骨架模型。骨架模型的运用可以更好地适应版本变化的需求，更符合上游对下游设计的控制和管理，更能体现出智能化设计的优势。

3.3.4 关联设计的一般流程

接口的调用：在上下文环境中打开骨架模型，将已发布的几何元素带链接的复制到新零件模型中［11］，系统自动将参考的接口放置在“外部参考”几何图形集中。使用时引用外部参考中的元素就将模型关联至骨架模型上，受着接口的驱动。

接口的发布：将平台切换到零件设计模块，使用命令“工具”——“发布”，选择所要发布的参数、几何元素或者实体，在零件树上出现“发布”集合，即将该元素发布。

实例化复制零件：为使设计、生产成本更加经济，设计过程中常出现完全相同的零件或部件，只是装配的位置不同，约束不同。这种情况下就需要实例化零件，实例化零件就是为文档增添一个参考链接，将绝对位置上的零部件移动到新位置上，并不改变模型内部的基准定位，改变模型文档，所有的实例将一同改变。原始位置上的零件图标第2个齿轮显示为绿色，装配件中记为XX_XXXXX_XXX.1；实例化零件图标第2个齿轮显示为黄色（无上下文链接的）或灰色，装配件中记为XX_XXXXX_XXX.n，n表示第几个实例零件。

在关联设计过程中的加/解锁：在关联设计环境中由于所有设计人员在相同的环境下并行工作，所有数据都有被同时打开、查看、引用的可能。同时为了保证数据同步时的正确性，系统要求在编辑修改数据时，必须对数据对象加锁，否则数据无法保存到系统中。当数据修改完成后可以对数据解锁，数据冻结前必须解锁，否则无法提升数据状态。

所有权的传递：在设计过程中，设计任务是自顶向下进行分配，分系统或子系统的负责人建立分系统或子系统的零组件结点单元，然后把所有权传递给下游设计者，下游进行详细设计。

系统与结构的关联设计：结构设计发布系统所需要的定位元素，系统设计员根据需要，按照结构给出的接口设计自己的模型，结构进行了修改，导致系统定位点变动的，结构设计人员重新发布定位元素，在一定的范围内，系统模型随之更新，不需要更多的协调工作。

4 流程管控及数据发放

为了方便平台上的其他相关设计员了解模型的设计进程，模型引入了成熟度这一概念。模型的成熟度标识飞机产品数字模型在设计过程中的完善状态和详细程度。使用成熟度的好处在于，在关联设计中，使下游设计员及时了解上游状态。其中成熟度从MA1（概念状态）→→→MA7（发图状态）体现了模型逐渐细化完善的过程。

图4 产品数据的发放流程

模型发放流程如图4所示，模型升级为MA7状态后检入到WINDCHILL平台进行审签，通过各专业的校对，审核后送交工艺审查后生成对外发放模型，发放至工厂。向工厂发送顶图，工厂按顶图编号及其版本和架次有效性信息按全机坐标组成大部件，大部件标签可以采用大部件识别编号+架次信息编号［12］。所发放的模型中包含顶图的EBOM产品结构树，通常类似于目录表，产品配套清单；装配单元，装配单元包含装配件EBOM（类似于细目表）、三维标注模型；零件单元，零件单元包括三维实体模型和三维标注信息；工程物料清单，这是为了更好地进行工艺分解，并对产品结构树进行补充。

5 结语

数字化关联设计方法已经在国内各型飞机的研制中取得了广泛应用，该设计方法已经形成较为成熟的飞机设计体系，这种新模式、新理念更加重视协同合作，依赖日趋成熟的网络平台技术，拥有广阔的发展前景。