0 引言
航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制涉及學(xué)科種類多，設(shè)計／工程技術(shù)要求高，部件／系統(tǒng)間協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，整機(jī)綜合匹配困難，是一項繁雜的綜合類系統(tǒng)工程。而結(jié)構(gòu)設(shè)計是研制過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，要綜合氣動、流體、傳熱、材料、工藝、強(qiáng)度、振動、裝配、使用和維修等諸方面的問題，還要考慮實際制造與使用的具體條件，并結(jié)合國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)的使用經(jīng)驗，通過權(quán)衡，得出適用的設(shè)計。
傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計從方案設(shè)計到工程設(shè)計，再到生產(chǎn)制造，均通過繪制二維圖來表達(dá)產(chǎn)品的幾何輪廓、尺寸、公差和工藝制造要求，存在錯誤表達(dá)和被錯誤理解的風(fēng)險。為了解決這個問題，工程領(lǐng)域發(fā)展了全三維數(shù)字化技術(shù)，其典型特征是基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)，用三維實體模型代替二維圖形表達(dá)產(chǎn)品定義信息，即用三維實體模型直接定義最終的三維產(chǎn)品，從而避免了通過二維圖和文字來重構(gòu)三維產(chǎn)品模型呵能帶來的理解和表達(dá)偏差，使得三維模型成為產(chǎn)品整個研制過程中的唯一數(shù)據(jù)源。
目前，國外MBD技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如波音公司在以波音-787為代表的新型客機(jī)研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息與三維設(shè)計信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，摒棄二維圖樣，并將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)。國內(nèi)航空業(yè)也開始研究MBD技術(shù)，并嘗試應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造的各個環(huán)節(jié)。
隨著MBD技術(shù)不斷發(fā)展完善，航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計方法也在不斷地發(fā)展、進(jìn)步。針對航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中部件與部件間、部件與系統(tǒng)間、零件與零件間存在大量的幾何及非幾何的關(guān)聯(lián)關(guān)系這一特點，嘗試通過數(shù)字化設(shè)計技術(shù)建立、控制和傳遞這種關(guān)聯(lián)影響關(guān)系，從而實現(xiàn)上下游設(shè)計信息的快速傳遞，以及更好地開展多專業(yè)、多部門間協(xié)同并行設(shè)計，縮短產(chǎn)品研制周期以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
本文對MBD技術(shù)、關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)、協(xié)同設(shè)計以及MBD關(guān)聯(lián)設(shè)計在航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了探索與研究。
1 MBD技術(shù)概述
1.1 MBD技術(shù)的定義
MBD技術(shù)是一種新的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，是指用集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法。該技術(shù)是將原來定義在二維圖紙上的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計信息、生產(chǎn)工藝制造信息和產(chǎn)品屬性管理信息，共同集成定義在三維數(shù)字化模型中。改變了傳統(tǒng)的二維圖紙定義產(chǎn)品的輪廓、尺寸、公差及工藝信息，或者：二維圖紙為主輔以三維模型的方法，同時使制造單位以三維數(shù)字化模型為依據(jù)，開展工藝、制造、裝配、檢測、服務(wù)等工作，實現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造、檢測等的高度集成，有效地解決了設(shè)計、制造、使用維護(hù)一體化的難題，消除了傳統(tǒng)研發(fā)模式中三維模型與二維圖紙之間的信息沖突，減少了創(chuàng)建、存儲和追蹤的數(shù)據(jù)量，保證了產(chǎn)品制造信息的準(zhǔn)確性、唯一性、快速性，從而有效縮短了產(chǎn)品研制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
1.2 MBD技術(shù)的應(yīng)用
2003年7月，美國機(jī)械工程師協(xié)會發(fā)布了關(guān)于三維模型標(biāo)注信息內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)(ASMEY14.41)，用以解決圖紙與信息系統(tǒng)傳輸之間的矛盾。隨后，波音公司率先在787項目中開始推廣使用MBD技術(shù)，使得項目的整個研制周期縮短約30%，提高了研制效率。MBD技術(shù)的應(yīng)用同時減少了物理樣機(jī)的制造及由二維圖紙不精確造成的理解偏差，整合了設(shè)計、制造等方面的流程，相應(yīng)節(jié)約了成本并提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
同樣地，國外其他公司如R&R也開始逐步應(yīng)用MBD技術(shù)，即在產(chǎn)品研發(fā)中，以具有PMI(Product Manufacturing Information，產(chǎn)品制造信息)三維標(biāo)注的模型作為唯一數(shù)據(jù)源，保證了產(chǎn)品制造信息的準(zhǔn)確、快速傳遞。
2008年以來，國內(nèi)航空業(yè)開始逐步引入MBD技術(shù)，在多型號研制中開展了試點應(yīng)用與實踐，并取得了顯著成效。在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，形成了基于UG的MBD三維標(biāo)注規(guī)范，用于指導(dǎo)行業(yè)內(nèi)航空發(fā)動機(jī)的全三維數(shù)字化設(shè)計。
雖然MBD技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)具有了一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，但相對國外企業(yè)，其綜合應(yīng)用水平及能力仍然存在較大的差距，尤其是在航空發(fā)動機(jī)方面，MBD技術(shù)仍未在型號研制中全面覆蓋并應(yīng)用，具體表現(xiàn)為：
(1)全三維數(shù)字化模型未落實并貫穿于整個產(chǎn)品制造過程始終，仍需二維圖紙進(jìn)行輔助支撐：
(2)三維數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成應(yīng)用體系尚未貫通；
(3)基于全三維數(shù)字化模型的設(shè)計、制造、裝配、維護(hù)和管理體系尚未建立：
(4)并行協(xié)同研制中的信息共享與流程控制尚未規(guī)范；
(5)三維標(biāo)注信息規(guī)范有待完善。
1.3 全三維數(shù)字化模型信息表達(dá)方法
與飛機(jī)主要使用CATIA建模環(huán)境不同，航空發(fā)動機(jī)全三維數(shù)字化設(shè)計主要基于UGNX環(huán)境，其完整的數(shù)據(jù)集主要包括三維模型、PMI標(biāo)注信息和屬性管理信息等，如圖1所示。
圖1 模型信息表達(dá)方法
三維模型包括控制幾何體、輔助幾何體和模型幾何體。控制幾何體是上下游模型中有關(guān)聯(lián)關(guān)系的幾何元素，這些元素可以是坐標(biāo)系，也可以是點、線、面、曲面等內(nèi)容，是建立下游模型的基礎(chǔ)控制條件，驅(qū)動相關(guān)聯(lián)模型的更改；輔助幾何體不是必要的制造工藝信息，而是建模過程中的輔助信息，即在控制幾何信息與零件幾何信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建模型所需的幾何數(shù)據(jù)；模型幾何體是描述最終實體零件的模型幾何體，包括模型中一系列的幾何特征。
PMI標(biāo)注信息為產(chǎn)品制造信息，包括尺寸與公差配合要求、形位公差要求、基準(zhǔn)與粗糙度要求、其他注釋信息和技術(shù)條件等。
屬性管理信息包括發(fā)動機(jī)研制型號，零件的名稱、編號、重量、材料等信息。
2 關(guān)聯(lián)設(shè)計方法概述
2.1 關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的定義
隨著MBD技術(shù)的發(fā)展，三維模型的快速創(chuàng)建及上下游模型設(shè)計信息的準(zhǔn)確傳遞成為了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中另一至關(guān)重要的因素。
航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件與部件間、零件與零件間存在人量幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系，往往一個模型的變更，牽連到周圍數(shù)個模型的變更，單一的模型參數(shù)化定義無法滿足因設(shè)計過程迭代引起的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)變更需求，為此MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
關(guān)聯(lián)設(shè)計(Relational Design)是通過建立一種特殊形式的參數(shù)化模型，即控制模型(Control Model)來實現(xiàn)上游設(shè)計對下游設(shè)計的關(guān)聯(lián)影響，控制模型不是產(chǎn)品制造的必要信息，僅是為快速而準(zhǔn)確地傳遞上游控制要求，建立的一種關(guān)于上下游設(shè)計輸入與輸出的影響、控制和約束關(guān)系。
控制模型可以是坐標(biāo)系，可以足點、線、面、曲面等幾何元素，可以足從實體上抽取的點、邊、面等拓?fù)湓兀部梢允菍嶓w。
2.2 關(guān)聯(lián)設(shè)計方法
關(guān)聯(lián)設(shè)計方法是一種參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，通過控制模型來定義一個模型和另一個模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對航空發(fā)動機(jī)總體、部件、系統(tǒng)進(jìn)行分析，總結(jié)和梳理出各自部分之間的相互關(guān)聯(lián)影響關(guān)系，將對這些關(guān)聯(lián)關(guān)系起決定性作用的幾何元素定義為控制元素。對于產(chǎn)品控制模型而言，要定義產(chǎn)品的總體架構(gòu)和部件（系統(tǒng)）的接口。接口是起控制作用的幾何元素的集合，是上游設(shè)計活動控制下游設(shè)計活動的手段：架構(gòu)為按不同研制階段總體、部件、系統(tǒng)定義的具有聯(lián)系的接口的集合，這些集合具有層次關(guān)系。航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中典型的控制模型關(guān)系如圖2所示。
圖2 關(guān)聯(lián)設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次及關(guān)系示意圖
在航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品項目型號的DBOM (Design BOM)根目錄下建立總體的控制模型，該模型下包含了總體專業(yè)在設(shè)計過程中將要用到的各部件（系統(tǒng)）相關(guān)的所有關(guān)鍵設(shè)計輸入控制元素（包括關(guān)鍵的坐標(biāo)系、界面或界面接口）。部件控制模型首先關(guān)聯(lián)引用總體專業(yè)規(guī)定的控制元素，在此基礎(chǔ)上增加部件內(nèi)部控制元素，具體的零件或模塊設(shè)計則通過引用部件控制元素開展詳細(xì)設(shè)計，完成最終的產(chǎn)品定義。
2.3 關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的作用
航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多、系統(tǒng)多，設(shè)計和制造難度高。在設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要大量協(xié)調(diào)溝通，反復(fù)迭代，不斷完善設(shè)計方案。同時，好的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮材料、工藝，并能滿足發(fā)動機(jī)苛刻的熱負(fù)荷和壓力負(fù)荷的工作環(huán)境，因而需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員和氣動傳熱、強(qiáng)度分析、材料、工藝等多專業(yè)間的反復(fù)迭代與協(xié)調(diào)。
傳統(tǒng)設(shè)計過程中，上下游設(shè)計的影響關(guān)系一般通過間接的方式傳遞，如發(fā)送內(nèi)部通知單、技術(shù)協(xié)調(diào)單等，或通過共享數(shù)據(jù)模型，信息傳遞時間和路徑長，容易產(chǎn)生信息傳遞遺漏與錯誤。
在全三維數(shù)字化模型中，通過定義發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中總體層級、部件層級的接口控制模型，可實現(xiàn)總體與各部件及系統(tǒng)、各部件及系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計關(guān)聯(lián)和信息共享，加快協(xié)調(diào)和更改的速度。
由于MBD數(shù)據(jù)集可以包含設(shè)計、工藝、制造、檢驗等各方面信息，且數(shù)據(jù)源唯一，上下游相關(guān)人員基于一個數(shù)據(jù)模型開展工作，方便了后續(xù)的制造及數(shù)字化裝配設(shè)計，可以使得設(shè)計生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)保持一致。全三維模型直觀，更容易理解，減少了信息傳遞遺漏和人為判別錯誤的風(fēng)險。
當(dāng)控制模型中界面間的控制要求發(fā)生變更時，設(shè)計更改可以自動流轉(zhuǎn)到下游，模型自動更新更改，可實現(xiàn)設(shè)計過程快速迭代，減少設(shè)計錯誤，極大地縮短研制周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。
3 MBD關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用
3.1 協(xié)同設(shè)計的定義與作用
MBD技術(shù)能夠基于唯一數(shù)據(jù)源更加準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計意圖，而關(guān)聯(lián)技術(shù)則能更加快速地傳遞更改信息，減少迭代，以二者技術(shù)為基礎(chǔ)而建立的關(guān)聯(lián)協(xié)同設(shè)計環(huán)境，能夠全面有效地組織、應(yīng)用和管理全三維模型數(shù)據(jù)，便于設(shè)計內(nèi)部、設(shè)計制造等并行開展工作，因此，數(shù)字化系統(tǒng)及數(shù)字化協(xié)同管理系統(tǒng)目前已被航空發(fā)動機(jī)各設(shè)計研制單位及制造單位重點關(guān)注。
通常把通過交流、協(xié)調(diào)完成各自的設(shè)計工作過程稱為協(xié)同設(shè)計。將用于協(xié)同設(shè)計的工具集成為一個系統(tǒng)，稱為協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，通過這種統(tǒng)一的平臺開展設(shè)計工作，可以減少由多企業(yè)、多專業(yè)、多個技術(shù)人員等帶來的因溝通不暢或者文件版本不統(tǒng)一導(dǎo)致的錯、漏等問題，使得整個研制價值鏈能夠無縫、安全地共享知識和信息，創(chuàng)建、積累并重用各個產(chǎn)品系列的最佳實踐等內(nèi)容，同時由于可以通過協(xié)同并行開展設(shè)計、工藝等工作，相應(yīng)整合、規(guī)范與精簡了設(shè)計流程和制造流程，減少了規(guī)劃與準(zhǔn)備時間，提高了全生命周期的設(shè)計效率與生產(chǎn)管理效率，對設(shè)計項目的進(jìn)度管理、人員負(fù)荷管理、審批流程管理、模型管理、構(gòu)型管理等規(guī)范化管理亦具有極大的促進(jìn)作用。
3.2 關(guān)聯(lián)設(shè)計在航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用
下面以總體、風(fēng)扇增壓級部件方案設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計為例，來說明關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用，基本過程如下：
(1)在方案設(shè)計的開始，總體結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行發(fā)動機(jī)的頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便各部件及系統(tǒng)在同一環(huán)境下進(jìn)行協(xié)同和關(guān)聯(lián)設(shè)計。首先總體結(jié)構(gòu)設(shè)計者建立并發(fā)布整機(jī)控制模型，包括定義整機(jī)坐標(biāo)系和各部件坐標(biāo)系，定義各部件氣動界面及接口，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)初步方案設(shè)計，建立航空發(fā)動機(jī)總體方案初步布局模型，包括風(fēng)扇增壓級、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等初步模型。模型建立關(guān)聯(lián)控制在整機(jī)控制模型的控制元素要求下，如圖3所示。
圖3 模型與控制模型關(guān)系示意圖
(2)根據(jù)整機(jī)初步模型進(jìn)一步細(xì)化整機(jī)控制模型，并在總體專業(yè)內(nèi)部迭代完善后通過協(xié)同設(shè)計平臺再次發(fā)布，供部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等專業(yè)關(guān)聯(lián)引用。部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)總體結(jié)構(gòu)專業(yè)發(fā)布的控制模型開始進(jìn)行方案階段部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制模型及模型的建立，如風(fēng)扇增壓級中控制模型的建立，首先關(guān)聯(lián)引入總體結(jié)構(gòu)控制模型中的部件坐標(biāo)系、風(fēng)扇機(jī)匣前后端面、中介機(jī)匣前后端面、流道控制面等控制元素要求，同時新增建立葉片型面為控制元素。風(fēng)扇增壓級方案模型關(guān)聯(lián)引用控制元素要求，使多個設(shè)計者在同一部件控制模型要求下，參考初步模型，進(jìn)一步建立風(fēng)扇機(jī)匣、中介機(jī)匣、帽罩、流道板等方案模型，最終完成風(fēng)扇增壓級方案階段模型的設(shè)計。風(fēng)扇機(jī)匣方案模型的建立如圖4所示。
圖4 風(fēng)扇機(jī)匣方案模型細(xì)化過程示意圖
(3)當(dāng)控制模型發(fā)生變更時，關(guān)聯(lián)的模型自動更新，具體過程如圖5、圖6所示，當(dāng)控制模型中尺寸1由239變更為242時，風(fēng)扇軸模型尺寸2無需修改，自動更新為242。
圖5 風(fēng)扇軸方案模型關(guān)聯(lián)更改示意圖（未更新）
圖6 風(fēng)扇軸方案模型關(guān)聯(lián)更改示意圖(已更新)
4 結(jié)語
本文通過分析MBD技術(shù)及關(guān)聯(lián)技術(shù)在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)沒計中的表述方法，對航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計中的MBD關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。由于MBD關(guān)聯(lián)協(xié)同設(shè)計技術(shù)可以通過唯一數(shù)據(jù)源，使上下游信息及時快速而準(zhǔn)確地傳遞，從根本上促進(jìn)設(shè)計質(zhì)量與效率的提高，縮短產(chǎn)品的研制周期，因此MBD關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用將為航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制帶來巨大收益。
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本文標(biāo)題：MBD關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用
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