新型航天器基于模型定义（MBD）方法研究与应用

邓云飞、顾春辉、徐喆、尹进 /中国运载火箭技术研究院

航天新型产品研制领域面临着外部竞争激烈，内部任务重、周期紧、技术难度大等困难，为确保我国新型航天器预研领域大有可为，必须放眼国际前沿，突破传统观念，寻求最佳研制模式，大幅缩短产品研制周期，提高研发质量。航天新型飞行器航空航天结合，协作单位跨越航空航天多家单位，急需突破传统航天型号设计工具、设计平台、研制模式和体系，建立适用于复杂协作关系和复杂飞行器构型的高效研发模式。

一、MBD概念的提出

基于模型定义(MBD)是采用全三维模型设计，将产品模型的几何、非几何信息按照一定规范用统一的模型进行定义表达的设计方法。美国通过ASME Y14.41 完成了相关标准的制定工作并应用于波音787、777 等客机研制，极大提高了研制效率，推动了数字化设计技术无纸化跨越式发展。

在新型航天器产品研制过程中，项目团队结合ASME Y14.41 对数字化产品数据集定义及国内外先进航空宇航企业相关规范，面向国内航空航天实际技术水平，制定合理的MBD 数据集定义方案。不仅需要将传统的基于二维图样定义技术中尺寸公差、注释等标注信息移植到三维模型中，更关键的是要满足管理技术以及并行工程要求。

二、 MBD主要内容

新型航天器产品MBD 将传统二维图样上的尺寸公差、旗注、技术要求、材料属性等信息通过标准规范集成到三维模型文件中。根据《新型航天器数据集定义规范》，MBD 数据集包括实体模型、三维注释、尺寸及公差标注等信息，满足完整定义产品的所有要求，典型MBD 数据结构如图1 所示（实体模型+三维标注称为设计模型，其他非几何信息定义在特征树中）。

图1 典型MBD数据结构图

三、MBD数据结构

数据结构主要包括主几何、工程数据集和设计环境相关零部件，其中主几何数据集包括主几何模型数据集、接口控制几何。

1.MBD 数据集的分类

（1）主几何

主几何包含构成飞行器外形和骨架的主要几何元素，新型航天器概念设计到产品详细出图的基准模型。

全飞行器主几何。描述全飞行器外轮廓及结构框梁位置的模型，对机身结构、翼面结构等外部曲面特征进行定义，是进行外形曲面相关零件设计和工装模具制造的重要依据。主尺寸外形模型数据集和主基准文件定义了飞行器所有外部、内部的形状及主要坐标系统、基准系统（点、线、面）。据集和主基准文件定义了飞行器所有外部、内部的形状及主要坐标系统、基准系统（点、线、面）。

接口控制模型。对系统、部件之间的接口特征和要求进行定义，由说明文档、设计接口模型组成，该数据集由总体设计人员定义和维护。

（2）工程数据集

新型航天器工程数据集包含实体几何、三维标注和设计模板属性定义的信息。名义尺寸直接在实体几何1：1 中体现；关键尺寸和公差以及特殊技术条件通过三维标注表达；通用公差、材料属性、表面处理、技术条件等通过模型模板自带定义。新型航天器三维装配工程数据集主要通过装配要求模型进行定义，仅定义装配关系、连接信息。

（3）设计坐标系和版本

除紧固件、复用件可通过复制实例化进行定义外，其他结构零件设计位置应由骨架模型采用自顶向下的设计方法确定。零件位置与骨架产生关联，零件数模的坐标系与飞行器总坐标系重合。所有模型应标识版本，通过版本管理技术状态，使模型的设计历史过程可追溯。

2.各类数据集之间的关系

一是各类型的MBD 数据集都由一个单独的零件模型构成，只有装配件的数字样机是由多个零件模型组合而成。二是MDS 和MDF 模型是所有其他文件的基础，定义了其他所有模型之间的主要位置关系和外形基准。三是进一步分解为ICM 模型，对零件之间的位置关系和连接关系、位置进行定义。MDS 和MDF 可以用来直接定义零件，所有设计环境相关的零件均创建在全飞行器坐标系下。

四、MBD数据集中的组成

零部件产品的MBD 数据集包含精确的三维实体模型，通过模型制定的几何集关联产品的三维几何信息、零部件表信息以及描述产品所需尺寸、公差和注释信息，如图2 所示。装配要求模型中，产品结构由系统管理和表达，可以引入部分参考实体模型。对于组件/装配MBD 数据集应包括设计配套表，以单独的文档形式表现，作为三维装配模型的补充。完整的MBD 数据集应适应飞行器并行定义工作模式，提供能够容纳并行工作结果的集成框架。

图2 2MBD数据集组成

五、 MBD数字化产品定义

完整的MBD 模型数据包括关联设计数据、实体模型、工程注释、尺寸和公差、工艺信息、装配连接等。采用数字化软件模块实现三维定义，一般几何名义信息由模型本身表达，几何公差、非几何信息由三维标注完成。典型的金属机加零件三维标注视图包括所有注、轴侧图、纤维方向、基准。

（1）实体模型

实体模型应基于骨架模型，由骨架模型发布的理论外形曲面、站位平面等约束关联设计，生成的模型与实物产品比例应为1:1，且位置确定。

（2）工程注释

标准注是对项目的通用说明，包括项目概述、通用说明、版权说明、密级、数字化产品定义遵循的标准、尺寸及公差遵循标准、完整性要求、运输及保护、尺寸单位、模型尺寸比例等。

（3）尺寸、公差及基准标注

MBD 模型为产品法定尺寸公差标注的唯一介质，每个关键零件特征的工程数据（如公差、型面精度）均应通过零件注或功能尺寸和标注（FT&A）直接在CATIA 模型特征上进行定义，且所有FT&A应与唯一的模型相关联。产品特征的所有尺寸、公差、工艺处理内容要在模型中保持唯一、无冗余。

三维模型标注应摒弃二维制图“应标尽标”的思维定势，基于三维模型的定义要求，用模型表达的无须使用尺寸。基于模型的定义几何元素是解析几何的“方程式”，二维制图的几何元素是平面几何的量。

（4）工艺信息

MBD 数据集的核心理念是通过唯一的三维模型，集成设计信息和必要的工艺信息，统一全过程数据源。对于零部件的工艺信息，可分为零件级工艺信息和零件特征工艺信息，因此在MBD 模型中分别以零件注、标准注、物料描述说明等方式处理。对于部分零件，应将设计关注的工艺信息体现到模型中，实现设计制造一体化。对于需要显示界面规范的应专门进行标注；对于复合材料，应根据工艺特点标注模具面、设计和工艺边界以及生成符合工艺规范的铺层信息。

（5）装配连接信息定义

每个零件都要通过机械连接（铆接、螺接等）、胶接或焊接进行连接，因此所有零部件产品必须要有连接特征定义。在数字化产品定义中，装配或安装产品与零件产品最大区别在与对装配或安装工艺的标注注释和说明。例如将装配紧固件已简化的点、线表示，在模型中体现。一方面装配工艺根据点线的属性获取紧固件的牌号和安装要求，另一方面零件工艺可以根据点线位置数控加工导引孔，方便装配精准定位。

航天新型产品设计技术领域新、专业跨度大、参与单位多、研制周期紧张、设计质量和使用可靠性要求高，需要高效的设计模式支撑项目的成功研制。项目组从传统的二维+三维的产品数字化定义向MBD 数字化定义转变，核心是二维工程图和零件表定义与应用完全被MBD 数据替代。在新型航天器产品MBD 数字化定义技术应用过程中，构建了MBD 数字化产品定义的一般原则和方法，建立了较为详细、完善的MBD 技术规范体系。▲