MBD技术在飞机结构设计中的应用

崔青青 余立 张家堂 李波

【摘  要】MBD 技术的大量使用不仅节约了大量的人力物力资源，还可以有效保证飞机安装和检查过程中的质量，杜绝安全事故的发生。

【关键词】MBD技术;飞机结构设计;应用

前言

MBD 技术已应用于直升机产品研发的整个过程中，MBD 模型成为设计生产制造检验过程的唯一依据，但由于MBD 模型包含几何、属性、标注等各类信息较为复杂，很容易出现质量缺陷，必须要对模型质量进行检查以确保模型的准确性。

1 MBD技术介绍

传统的通过二维图纸设计和制造的模式只面向产品的设计和制造，随着产品全寿命周期管理（PLM）技术的发展，这种定义模式逐渐与数字化技术管理脱节，缺乏对数字化产品工程定义的统一认识和遵循标准，不能完全发挥数字化技术在飞机设计和制造的优势。在数字化技术发展的大环境下，基于模型的定义技术为飞机产品定义的内容、管理模式以及产品定义方法提供了依据和指导。在MBD技术中，产品模型是其核心和基础，由设计模型、注释和属性等组成。设计模型主要由三维实体模型和一些辅助几何信息组成，是设计人员想法的再现。

2基于MBD的改装协同设计信息传递

在试飞改装协同设计中，改装专业与飞机设计专业之间需要传递的信息多、专业覆盖面广，例如设备的结构安装、强度校核、气动布局分析、飞行载荷计算、电磁兼容性以及后期的设备拆除等等。若是采用“技术协调单+二维工程图”的信息传递模式，会出現图纸管理成本高、信息表述不清楚、设计难度加大等问题。因此，本文通过参考MBD技术中产品模型的定义方式，提出一种新的试飞改装协同信息传递模式，意在将改装专业与飞机设计专业之间就加装测试设备的所有协同信息封装在一个模型中，建立一种新的基于CATIA软件的“ICD”文件，这种文件被称为三维协调数模。三维协调数模适用于试验机所用到的所有机载测试设备的改装协同设计，其通过特征树的形式将改装专业需要向飞机设计专业传递的信息集成在一个模型中，三维协调数模主要包含几何模型、属性信息和注释信息等3种类型的信息。

2.1几何模型

1）空间坐标系：该坐标系与原机坐标系相同，便于机载设备在飞机中的定位。

2）零件几何体：测试设备的三维实体模型，便于飞机设计专业直观、清楚地了解机载测试设备的信息。对于飞机机身外围加装的测试设备，凭此可进行气动布局分析和气动载荷计算。

3）协调定义几何图形：通过辅助几何的图形化表达方法，表示机载测试设备的机械安装接口信息，飞机设计专业可获得设备的安装位置、方向以及接口等信息，以此进行改装转接接口设计。

4）结构开孔定义：通过三维辅助几何信息指定某些设备电缆穿孔的位置和孔径信息。

2.2属性信息

1）重量和重心：根据机载测试设备的重量和重心，可进行相关的强度计算，保证试飞过程中的安全性。

2）安装位置及要求：表示设备的具体安装位置以及所需空间等要求。

3）振动、载荷和刚度要求：表示设备所承受的振动条件、载荷范围及所需刚度要求。

4）紧固件牌号及钻孔协调：表明机载测试设备安装所需的紧固件及制孔信息。

5）尺寸公差：向飞机设计专业指定未标注公差的尺寸按照一定的设计规范执行，体现了机载测试设备安装接口的生产制造公差要求。

6）表面粗糙度：指定飞机设计专业设计的改装转接零件的制造粗糙度大小。

2.3注释信息

包括一些文字说明信息，以及标注数模尺寸，并对一些关键尺寸标注公差。根据以上对三维协调数模构成要素的分析，这种基于特征全三维定义的模型实现了改装协同信息的全要素封装，包含了机载测试设备所涉及的所有专业信息。同时，相比传统的“技术协调单+二维工程制图”模式，这种表达方式可清晰明了、无歧义地表达出设备改装信息，可视化性强。此外，针对不同机载测试设备，这种三维协调数模协同设计模式可分门别类建立三维协调数模模型库，每类机载测试设备具有相应的三维协调数模设计模块。从而使得三维协调数模协同设计模式的再利用能力得到最大体现，有利于试飞改装技术的传承。

3 基于三维协调数模的改装协同设计应用实例

某试验机根据不同重量下、不同重心下进行飞行试验的要求，需要在客舱研制一套某试验系统，以保证试飞过程中随着燃油的消耗，飞机重心能实时保持在相应重量条件下的前后极限位置。该试验系统的改装设计方案为：根据改装协同设计的分工不同，由某设计专业进行系统与机体连接的机械接口设计和结构强度计算，改装专业在此基础上进行该试验系统的加改装设计。

该试验系统的改装协同设计分为以下4 个阶段：

1）协同设计准备：改装专业和飞机设计专业关于试验系统的改装可行性进行初步协调分析。

2）协同设计前期：根据之前的初步协调分析结果，改装专业编制试验系统加装的三维协调数模，集成系统的包络体数模、机械安装接口、重量重心和其他安装要求等信息。

3）协同设计中期：飞机设计专业根据三维协调数模的信息，进行机械连接接口和结构强度的详细设计。

4）协同设计后期：当试验系统的机械连接接口和结构强度设计完成后，改装专业基于此进行试验系统的改装详细设计。因此，基于三维协调数模技术，通过改装专业和飞机设计专业的协同设计。

结束语

通过某试验机的试验系统改装协同设计研究实例，结果表明：相比传统的改装协同设计信息传递模式“技术协调单+二维工程图”，通过基于MBD技术的三维协调数模的方式实现了技术信息的模块化封装和MBD技术数据源单一的基本特点，且描述清晰、形象、准确，极大地提高了试验机改装协同设计的效率。同时，三维协调数模的模块化协同设计模式为试验机改装技术的继承、维护和发展奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京：航空工业出版社，2011.

[2]刘明孝.基于NX的三维设计质量检测系统[D].上海：华东理工大学硕士学位论文，2010.

[3]张智普，陈海华.三维数字化模型质量检查技术研究[J].战术导弹控制技术，2010，27（3）：56-62.

（作者单位：中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司）