0 引言

    隨著信息化技術(shù)和并行設(shè)計(jì)工程理念的飛速發(fā)展，三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)已在航空、航天、航海、石油、化工和汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對傳統(tǒng)研制模式造成了很大的影響和沖擊，并已成為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展趨勢。

    本文結(jié)合某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀，論述了三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的流程、特點(diǎn)以及應(yīng)用成果，全面展示了三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)相對于傳統(tǒng)研制模式的優(yōu)勢，促進(jìn)了該模式在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和其他機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域的推廣。

    1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

    國外基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造模式已廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、石油和汽車等領(lǐng)域，并成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造行業(yè)發(fā)展的趨勢。

    20世紀(jì)90年代初，波音公司在研制波音777時(shí)首次采用了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)等數(shù)字化技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了100％的數(shù)字化產(chǎn)品定義和三維數(shù)字化預(yù)裝配，并通過實(shí)施飛機(jī)構(gòu)型定義與控制、制造資源管理等大型工程，使得波音777的研制周期比波音767幾乎縮短了50％，設(shè)計(jì)更改和返工率減少50％，裝配時(shí)出現(xiàn)的問題數(shù)量減少了50％～80％。進(jìn)入2l世紀(jì)，波音公司又推出了全球協(xié)同研制環(huán)境(GCE)，實(shí)現(xiàn)了對波音787協(xié)同研制的支持，它給整個(gè)產(chǎn)品研制提供了一個(gè)嶄新的系統(tǒng)方法和解決方案，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研制的全壽命周期數(shù)字化協(xié)同研制過程與系統(tǒng)的全面集成。

    在國內(nèi)，航空領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用起步較早，目前已在飛豹、殲20、運(yùn)一2O和ARJ2l等多個(gè)飛機(jī)型號上使用。其中運(yùn)一20和ARJ21通過采用全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和并行工程方法實(shí)現(xiàn)了大部段對接一次成功和飛機(jī)上天一次成功。國內(nèi)航天領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用起步相對較晚，目前已在新一代運(yùn)載火箭上進(jìn)行了應(yīng)用，其中CZ一7火箭已實(shí)現(xiàn)全壽命周期數(shù)字化研制。

    2 設(shè)計(jì)模式對比

    2．1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

    傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程見圖1。

    圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

    設(shè)計(jì)人員首先按照發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入完成產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后完成二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，再依次完成校對、審核、工藝會(huì)簽、標(biāo)審和批準(zhǔn)，最后將二維圖紙曬蘭下廠�？梢钥闯�，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式未發(fā)揮三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段的優(yōu)勢，且整個(gè)研制過程是一個(gè)串行模式。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式存在以下缺點(diǎn)：

    1)串行模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)各階段脫節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長；

    2)工藝沒有提前介人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，在工藝會(huì)簽階段容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案反復(fù)，工作量和設(shè)計(jì)成本成倍增加；

    3)二維圖紙不易理解且可視性差，不能精確定義復(fù)雜形面；

    4)工藝在開展工藝路線設(shè)計(jì)時(shí)需要重新轉(zhuǎn)換圖紙所包含信息；

    5)不同零部組件之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸協(xié)調(diào)比較困難且易出現(xiàn)誤差；

    6)不能提前模擬和驗(yàn)證產(chǎn)品裝配方案；

    7)無法直接開展產(chǎn)品三維數(shù)字化制造。

    2．2 三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)模式

    基于三維數(shù)字化協(xié)同模式的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程見圖2。

    圖2 三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程

    與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比，其顯著特點(diǎn)表現(xiàn)為：

    1)采用全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，建立了全三維數(shù)字化模型，并用含三維標(biāo)注的模型替代了原有的二維圖紙；

    2)采用IPT研制模式，將串行設(shè)計(jì)變?yōu)椴⑿性O(shè)計(jì)。

    由于采用了新的設(shè)計(jì)技術(shù)和協(xié)同手段，該設(shè)計(jì)模式表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：

    1)并行設(shè)計(jì)縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期；

    2)工藝可以提前介入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案不易出現(xiàn)反復(fù)，研制成本降低；

    3)三維模型可真實(shí)、立體反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖，易于理解；

    4)工藝可直接在三維模型上開展工藝模型設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換；

    5)便于開展三維仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案；

    6)可進(jìn)行數(shù)字化模擬裝配，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品接口不一致問題，同時(shí)驗(yàn)證裝配方案；

    7)為工廠開展三維數(shù)字化制造奠定了基礎(chǔ)。

    3 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)

    3．1 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺

    為了便于開展自頂向下的骨架模型設(shè)計(jì)，某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中選擇了PTC公司的Pro／E軟件作為三維設(shè)計(jì)軟件，并采用Intralink作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和協(xié)同共享平臺。

    產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員首先利用Pro／E軟件在工作區(qū)內(nèi)完成模型設(shè)計(jì)，然后通過檢人操作將數(shù)據(jù)上傳至Intralink服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)載入和共享。模型發(fā)生修改時(shí)，首先將其檢出到工作區(qū)，完成修改后再執(zhí)行檢人操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，具體工作流程見圖3。

    圖3 工作流程

    3．2 骨架模型設(shè)計(jì)

    在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，發(fā)動(dòng)機(jī)總體需根據(jù)火箭總體布局要求和總裝布局方案對組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)尺寸提出要求，完成發(fā)動(dòng)機(jī)總體與組件的接口協(xié)調(diào)。在傳統(tǒng)的研制模式中，接口協(xié)調(diào)是通過二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求完成的。

    在三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)中，通過采用自頂向下模式和多層骨架方案建立了發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型（見圖4)，將組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)尺寸要求包含在組件發(fā)布骨架模型中，用骨架模型替代了傳統(tǒng)模式中的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，提高了接口協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)。

    圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型

    3．3 三維模型設(shè)計(jì)和管理

    3．3．1 三維模型設(shè)計(jì)

    目前液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一般采用“二維工程圖為主，三維模型為輔”的產(chǎn)品定義模式。在該模式下，二維曬蘭圖紙代表了產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)狀態(tài)，是產(chǎn)品加工的唯一依據(jù)。由于三維模型與二維圖紙是分離的，因此三維模型僅用于發(fā)動(dòng)機(jī)布局方案設(shè)計(jì)和模裝分析，并沒有成為真正意義上的三維模型聞。

    基于模型定義技術(shù)(Model Based Definition，簡稱MBD1是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。該技術(shù)最初由波音公司提出，并引起了設(shè)計(jì)過程和制造模式的革命性變化，并為并行協(xié)同設(shè)計(jì)提供了技術(shù)途徑，MBD模型成為并行協(xié)同過程中信息的唯一載體。

    基于Pro／E三維設(shè)計(jì)軟件和Intralink平臺，結(jié)合相關(guān)數(shù)字化設(shè)計(jì)規(guī)范，某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。通過設(shè)置三維模型屬性參數(shù)(見表1)和全尺寸三維標(biāo)注，完成了完整的MBD模型設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)。

    表1 三維模型屬性參數(shù)

    基于MBD模型，設(shè)計(jì)人員同時(shí)開展了三維仿真分析和三維模擬裝配，提高了仿真結(jié)果的正確性和合理性，并提前驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配方案。

    3．3．2 三維模型狀態(tài)控制

    產(chǎn)品狀態(tài)控制是設(shè)計(jì)人員開展工作的首要任務(wù)。三維模型的狀態(tài)是通過模型版本號來區(qū)分的，為了保證三維模型版本的正確性和唯一性，需要對三維模型狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

    目前發(fā)動(dòng)機(jī)研制中采用AVIDM+Intralink共同管理模式，其中AVIDM負(fù)責(zé)管理三維模型審批表、明細(xì)表和更改單，Intralink平臺實(shí)現(xiàn)三維模型存儲和基線管理。在三維模型審批表和更改單中需具體明確最終狀態(tài)的模型版本號，確保設(shè)計(jì)狀態(tài)是最新且唯一的。

    3．3．3 三維模型狀態(tài)更改

    產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)更改是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中不可避免的工作內(nèi)容。二維圖紙更改一般采用劃改、換頁或換版等方式，并通過下發(fā)更改單明確具體更改內(nèi)容。

    三維模型的更改必須全部在三維模型上進(jìn)行，并通過更改單明確。由于三維模型采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)，對于不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單更改，僅需對建模特征參數(shù)進(jìn)行修改后更新三維模型就可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求更改，操作簡單方便。對于改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜更改，則需對更改特征進(jìn)行重新建模，并同時(shí)增加相關(guān)三維標(biāo)注。在更改單中，需明確三維模型更改前后的版本、基線和具體更改內(nèi)容。

    3．3．4 三維模型電子分發(fā)

    在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，設(shè)計(jì)人員完成的二維圖紙需曬蘭下廠并按工藝路線分發(fā)。工藝人員在接收到二維圖紙后便可開始工藝文件設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)等工作。

    采用三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)后，在完成AVIDM流程審批和三維模型基線受控后，檔案部門直接將三維模型基線電子分發(fā)到工廠，工藝根據(jù)模型審批表和明細(xì)表直接在Intralink中自行下載相關(guān)三維模型，然后開展相關(guān)工作。電子分發(fā)簡化了三維模型下廠流程，可保證三維模型狀態(tài)確定后能及時(shí)被廠接收，同時(shí)降低了研制成本。

    3．4 IPT并行設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)的串行研制模式中產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)完全分離，導(dǎo)致產(chǎn)品研制周期長、效率低、成本高。當(dāng)年波音公司在實(shí)施波音777項(xiàng)目時(shí)，成立了238個(gè)集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)(Integrated Product Team，簡稱rPT)，實(shí)現(xiàn)了并行設(shè)計(jì)，減少了生產(chǎn)返工和設(shè)計(jì)更改的數(shù)量，保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)一次成功。

    某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用IPT模式進(jìn)行并行研制后，設(shè)計(jì)人員在三維模型完成初期就及時(shí)與工藝人員進(jìn)行溝通交流，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案合理性、工藝可實(shí)現(xiàn)l生進(jìn)行討論，然后根據(jù)討論結(jié)果修改完善三維模型，并再次進(jìn)行溝通交流。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案和工藝方案確定后，工廠可同步啟動(dòng)工裝設(shè)計(jì)、工藝模型設(shè)計(jì)、材料準(zhǔn)備和工藝準(zhǔn)備等工作。產(chǎn)品方案最終確定后，通過IPT模式完成三維標(biāo)注、校對、審核、工藝會(huì)簽和標(biāo)審，批準(zhǔn)后三維模型直接電子分發(fā)下廠。

    采用IPT模式后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案反復(fù)和設(shè)計(jì)更改明顯減少，研制周期進(jìn)一步縮短，研制成本也顯著降低。

    4 結(jié)論

    1)和傳統(tǒng)的串行研制模式相比，基于IPT的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)模式可顯著提高研制效率，縮短研制周期，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式的發(fā)展趨勢。

    2)某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通過采用該研制模式，實(shí)現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)、MBD模型設(shè)計(jì)和三維模型電子分發(fā)下廠，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)也為后續(xù)開展三維數(shù)字化制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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本文標(biāo)題：液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)研究

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