张体广基于MBD的飞机结构件建模及数据管理技术.docx
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张体广基于MBD的飞机结构件建模及数据管理技术
第1章绪论
1.1研究背景与意义
1.1.1研究背景
近年来,特别是进入20世纪90年代以来，数字化技术在全世界制造企业，尤其是在大型飞机制造企业中的地位越来越得到重视，已经成为一个企业能否战胜同等地位企业的重要标志。
数字化研制是一场由里到外、由旧到新的全新生产方式的变革，它推动着管理体制、组织体系、标准规范、设计方法、生产运作、思维方式及工作方式的根本改变[1]。
但是在我国飞机制造企业中采用串行的设计制造流程，国外先进的数字化协同研制优势在我国难以有效发挥[2]。
随着航空工业的发展，航空结构件日趋大型化、复杂化，如图1.1所示。
飞机结构件是飞机的主体框架，是其它零部件及设备的载体，是飞机设计过程中的主要部分。
飞机结构件设计的质量和效率直接影响到飞机设计乃至制造过程。
飞机结构类零件数量巨大、形状复杂，从飞机诞生以来的很长的一段时间，它们的设计制造方式都使用纯人工的方式，这种方式不仅需要大量的人力物力，而且设计效率低下，工作量大，返工率高，对飞机的生成效率产生了重大的阻碍，成为飞机设计制造的颈瓶。
如何快速、高效地完成结构件的数字化定义和数控加工，成为飞机数字化产品定义和制造所要解决的主要问题[3]。
图1.1飞机整体结构示意图
另外，在飞机设计制造过程中，管理也是非常重要的环节，在管理中出现的如串行生产组织方式、信息化孤岛等问题也将影响飞机的制造过程，这些问题如得不到及时解决也将阻碍企业的发展。
飞机产品结构与其它产品相比要复杂得多，不仅设计复杂，加工工艺也非常复杂，这些环节的质量将直接影响到飞机的性能。
飞机作为一种机械产品，与一般的机械产品有很大差别，飞机结构件结构复杂，加工特征多，包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工区域，加工难度大。
为保证产品制造精度和互换性，长期以来，飞机生产在传统上采用以模拟量传递尺寸为主要特征的制造技术体系.这种体系存在许多弊端，影响飞机生产的进一步发展和提高[4]。
基于MBD的设计制造技术以飞机结构件MBD模型为唯一依据，实现产品设计人员和工艺人员间快速有效地协同设计。
MBD技术是CAD技术发展的新趋势，它改变了传统的研发模式，建立MBD模型不仅仅是设计者的任务，工艺、工装、检验都要参数到设计的过程中，高效地应用了数字化技术带来的便利。
MBD技术的实施及推广，在高效管理体系及设备等支持下，对于整个设计制造行业来说，有利于提高工程质量、缩短零件设计准备时间、易于协调、减少成本等[5]。
因此，为了适应飞机多型号快速性，可靠性的设计的要求，提高飞机设计能力、水平、效率、缩短型号研制周期，结合我国现有飞机设计的实际情况，提出基于MBD的全三维参数化建模技术，在数字化技术及设计技术基础上，针对飞机典型结构件设计，其研究成果同样适应于其他产品零件。
研究基于MBD的设计制造技术对提高飞机结构件设计质量、数控加工效率、缩短飞机研制周期具有重大意义。
1.1.2研究意义
与一般的机械零件相比，飞机零部件具有零件种类多，零件结构复杂，精度要求高等特点，三维参数化复杂程度高，但是由于没有图纸定义产品尺寸，实体建模精度的检验显得尤为重要。
所以当前飞机结构件三维模型的建立一直是急需解决的难点，这直接影响到产品的设计与制造，并导致生产周期过长。
为此，需要一种方法既能达到用企业和设计者的愿望，又能满足用户的要求，所以提出了基于MBD的参数化建模系统的方法。
本课题就是题借助三维设计软件CATIA与其最先进的二次开发工具CAA，采用了先进的设计思想和设计方法以及先进的数据管理理念，建立起三维参数化建模平台体系结构。
从而达到了快速研制和快速批量生产的目的。
总体来讲，具有以下意义：
（1）避免重复设计同一类型的飞机零部件，减少设计时间；
（2）建立模板库，实现企业内部设计人员对资源的有效共享；
（3）大大减少了设计数据的输入和存储数据的冗余；
（4）数据集中统一管理，可正确、一致并可靠的提供各应用程序所需的数据，避免了由于设计数据输入有错而造成的返工现象；
（5）设计数据由零件模板数据库系统统一管理，可以保持数据的完整性，同时加强了数据的安全性；
（6）提高企业的设计生产能力，缩短产品研发周期，提高我国航空制造业的水平，增强国防建设能力。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
数字化定义技术的应用正迅速改变着传统制造业的工作模式，它经历了从二维到三维模型发展历程。
数字化定义技术的发展从手工绘图到二维CAD的应用，到二维加三维设计模式，再到三维建模技术，实现了从平面投影技术到全三维实体模型数字样机以及完整数字化产品定义的转变。
1997年1月ASME发起了关于三维模型标注标准的起草工作，直到2003年7月才被ASME批准为三维建模新标准。
随后当时世界各大软件公司才陆续支持三维标注技术。
波音公司在最新的波音787项目中首次应用了该项技术，并将它命名为MBD（ModelBasedDefinition，基于模型的定义）技术[6-7]。
20世纪90年代初，波音公司首先在波音777型飞机上开展了CATIA结构设计及数字化预装配，全面应用了三维设计技术,而后在737-NX项目中先后实施了全新的数字化定义、并行协同和PLM应用等，建立和实施了飞机构型定义与控制/制造资源管理（DCAC/MRM）应用，此时MBD处于初级未成熟阶段，但飞机构型定义与控制/制造资源管理的成功，降低了成本的四分之一，缩短了一半的飞机研制周期。
为了研制出具备更加舒适性、经济性、安全环保的787客机，在全球范围内获得技术、资本和市场，创造出更大价值，波音公司决定将787项目的数字化环境由机构型定义与控制/制造资源管理改为全球协同环境（GCE）平台。
GCE平台在DCAC/MRM基础上，除了继承了其模块化思想，最大进步就是全方位应用三维参数化技术，建立了基于网络关联的单一数据源的核心流程和系统框架，实现了飞机研制的PLM[7]。
波音777型飞机虽然采用了三维技术，MBD还处于未成熟时期，全面使用MBD技术，还要从波音787研制开始，将三维产品制造信息（ProductManufacturingInformation，PMI）与设计信息共同零件的三维模型中，摒弃二维图样，使工艺人员从百年来的二维文化中脱离出来，不仅实现了设计制造一体化，而且能够缩短波音787的研制时间，保证制造的质量。
波音787的协同研制工作顺利进行，为波音取得了巨大的经济效益和社会效益，而且带动了其它飞机设计制造公司也开始研究MBD的实施与应用。
1.2.2国内研究现状
21世纪初，计算机技术在我国飞机研制中得到规模化应用，并取得了显著的效益。
最近几年来，随着国家信息化带动工业化战略决策的制定及其中航工业数字化技术应用顶层规划的制定，飞机研制数字化的应用有了长足的发展，在某些方面已经接近或者赶上国际先进水平，如在数字化样机设计方面，实现了100%的三维建模，在多个飞机型号的研制中。
已经完全使用数字样机取代物理样机。
但是与波音相比，我国三维设计的规模化应用与波音777研制三维设计技术应用相差10年。
20世纪末期我国进行了新飞豹研制，新飞豹全机电子样机是国内第一架全机电子样机，也是首次用电子样机替代物理样机进行协调设计，用数字量代替模拟量进行设计信息的传递。
目前国内研究MBD技术的学者不是很多，基本是借鉴波音公司的先进技术，并针对我国航空企业的特点和现状，研究先进的飞机设计过程。
与国外先进的飞机设计制造理念相比，我国飞机研制差距主要有以下个方面：
（1）三维模型没有从设计到制造全过程的应用；
（2）MBD的定义还没有完全理解；
（3）MBD制造模式的应用并没有处于好的时机；
（4）MBD的技术规范还处于研究阶段；
（5）设计制造一体化应用体系尚未贯通。
因此，为了缩短飞机研制周期，提高飞机研制质量，有必要以三维数模为载体，借鉴国外发达航空制造企业MBD技术的成功应用经验，结合飞机数字化制造流程，开展适合于我国国情的飞机三维数字化设计制造技术应用研究[8]。
1.3课题来源与主要研究内容
1.3.1课题来源
本课题来源于我校承接某课题的一个子课题。
对于许多飞机零件在结构上具有相似性，当在飞机建模时将进行大量重复工作，降低了工作效率，基于此原因，该课题旨在通过对飞机典型结构件进行归纳总结进而建立模板库等方面的研究，利用CATIA/CAA的应用开发功能，开发适用于飞机典型结构件参数化模板系统，能够更好地在减少重复工作提高工作效率。
1.3.2主要研究内容
飞机的结构设计是飞机设计制造中重要的步骤，其中对飞机零部件的设计很大一部分来自于变型设计，这将包含着大多的设计过程都是对以前知识的重用，因此，如何将设计人员的工作经验，常用数据，现有的标准、手册以及各种规范等各种知识加以总结和归纳后，建立参数化模板模型，并实现模板的快速检索与调用是本文的主要研究内容。
为了达到以上目的，本文将此问题简化三个问题：
一是如何进行模板的参数化设计；二是如何提取模板的MBD信息并进行有效的管理；三是如何实现模板的快速检索、调用。
针对这三个问题，本文研究的主要内容如下：
1.研究基于MBD典型零部件的数字化定义及建模技术
MBD是一种用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它详细规定了三维模型中产品尺寸、公差的标注规则的表达方式，通过该技术，可实现三维数据当作传递设计信息的唯一载体，该部分的研究有以下几个方面的内容：
（1）在获取飞机结构件设计信息的基础上，研究飞结构件模型几何信息和飞几何信息的表达方式及该信息的组织管理技术。
（2）研究基于MBD飞机零部件模型设计规范，在此规范指导下，利用建模工具，建立规范化建模环境。
2.研究基于MBD的模板的设计技术
研究模板的参数化建模，MBD是一种进行三维建模的设计规范，在MBD的指导下，利用CATIA软件实现飞机典型结构件模板的参数化设计。
3.研究模板信息的提取与管理
研究MBD模板的几何信息与非几何信息的提取技术，并且根据实际要求，将模板信息重新归纳分类，保存到数据库中。
4.研究模板的检索、管理与实现
为了实现对模板信息的有效管理，研究模板信息的存储、修改和检索等功能。
5.开发一个参数化模板库系统，实现对模板的管理
开发参数化模板库系统，实现模板的建立、模板的检索、模板的调用等功能的有效管理。
第2章基于MBD的CATIA二次开发
随着数字化设计与制造技术的飞速发展，特别是三维软件的日益普及，零件三维实体建模已经成为产品研制的重要选择。
三维实体模型能够精确地描述零件最终的形状，但由于没有考虑零件制造工艺的过程，从而阻碍了设计信息向制造过程的延伸，不符合设计制造一体化，所以MBD技术应运而生。
MBD技术是CAD技术发展的新趋势，它要求使用三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，采用MBD模型后，三维模型将贯穿于设计、工装、工艺、制造和装配等生产的各个环节。
本章研究了基于MBD的CATIA二次开发方式，分析了MBD模型定义要求，论述了MBD模型几何信息和非几何信息的表达方式以及信息组织管理方法，同时简要介绍了CATIA的特点，分析比较了CATIA二次开发的几种方法，重点论述了CAA的架构及原理。
2.1基于模型的定义技术
2.1.1MBD的技术概念
基于三维模型定义，即MBD（ModelBasedDefinition，MBD）技术是一种数字化产品定义技术，它是以全三维数字化模型为基础，用这种集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，从而消除或者减少2D图纸的使用，将设计信息和制造信息共同定义到产品模型中，实现面向制造的设计。
它既能保证数据的唯一性，又能使三维实体模型作为生产制造过程中唯一依据[9-10]。
如图2.1所示，MBD模型不仅描述了设计的几何信息，还定义了三维尺寸标注、制造信息、工艺信息、管理信息等非几何信息。
使用者只需拥有一个MBD模型就可获取全部信息，使设计/制造之间的信息交换保持有效的连接。
而且它还能通过一系列规范标准能够更好地表达设计思想，具有更强的表现力，能够有效解决设计/制造一体化的问题。
图2.1MBD三维实体模型
1997年，美国机械工程师协会开始进行有关MBD标准的研究和制定工作，并于2003年形成了美国国家标准“Y14.41DIGITALPRODUCTDEFINITIONDATAPRACTICES”（数字化产品定义数据实施）。
此后，在此标准基础上，波音公司研究制定了基于MBD技术的应用规范（BDS-600系列）,并且在波音787项目研制中得到了很好的应用。
同时，各软件供应商也在相应软件中增加了用于三维标注的相关模块，这才使得有可能在产品研制全过程中应用全三维设计技术，形成全三维研制体系。
近几年，国内各家航空研究所已经开始进行全三维研制技术的研究和应用，并于2009年形成了基于MBD的基本满足设计制造的规范体系，同时，根据型号研制需求和技术发展需求，建立了支持全三维研制的多厂所并行协同应用系统。
各工厂也根据全三维技术的发展，构建了适宜全三维研制的工程制造体系。
这些标准规范及相应的数字化平台和工程制造体系共同构成了全三维研制的体系。
可以说，这是国内首次体系化、规模化并且与型号紧密结合的全三维技术研究与应用，发出的标准规范也是国内首套基于MBD的全三维技术标准规范[11-13]。
MBD技术改变了常规二维设计模式，常规二维设计模式中的模型仅仅包含了产品的几何信息，而其工艺、制造、管理信息等非几何信息需要单独体现在二维图纸或其它文档中[14-15]，这就要求设计者去追求三维设计加工制造一体化研发模式，而MBD技术的模型数据集成正是奠定了这一基础，这将势必推动整个设计、制造等领域革命性飞跃。
采用MBD技术后，用来集成产品的几何形状信息、尺寸与公差以及工艺信息的三维实体模型就是MBD数据集，MBD数据集是对一个产品对象的定义描述集合，它从几何形状、文字等多方面来完整地描述一个产品的特征和功能。
MBD数据集提供完整的产品信息，集成了以前分散在三维数模与二维图纸上的所有设计与制造信息。
零件的MBD数据集包括零件设计模型、坐标轴、尺寸、公差和标注、标准说明、零件说明、标注说明、材料要求及其他相关定义数据。
装配件的数据集包括装配状态的零件设计模型、尺寸、公差和标注、标准说明、零件说明、标注说明、零件表或相关数据、关联的几何文件和材料要求[16]。
图2.2所示为零件的完整MBD数据集包含的信息。
图2.2MBD数据集的内容
2.1.2MBD模型信息
在MBD数据中有2类数据：
一类数据是几何信息，也就是产品的设计模型；另一类是非几何信息，它存放于规范树中。
以下对MBD模型的几何信息、非几何信息的描述均是在CATIA软件中展示。
（1）MBD模型几何信息
MBD模型的几何信息是指为了表达设计意图，设计者采用参数化实体建模技术建立的零件模型，下面分别对几何信息作介绍：
1PartBody
PartBody信息是实体特征造型所建立的实体模型，根据设计者的要求来确定是否需要。
2EngineeringGeometry
EngineeringGeometry信息是建模时最基本的元素，用于确定零件在空间的位置，有坐标系统与基准面两类。
3ExternalRefefence
当进行零件建模时有时需要引用其它零件中的要素，这些要素就是ExternalRefefence信息，关联设计时尤其用到ExternalRefefence。
4ConstructionGeometry
ConstructionGeometry信息是在EngineeringGeometry和ExternalRefefence的基础上构建的零件实体所需的几何信息。
5RefefenceGeometry
RefefenceGeometry是引用零件的实体模型，它与ExternalRefefence相似，ExternalRefefence引用的是几何元素。
（2）MBD模型非几何信息
非几何信息是指以往分散在二维工程图纸中的产品制造信息，在CATIA软件里，这些非几何信息都定义在特征树之中，这些非几何信息包括各种标注信息，如StandardNotes、PartNotes、AnnotationNotes、还有各类连接定义等，这些非几何信息由专门的PDM软件负责保存和管理，使零件的几何信息与非几何信息实现高度集成[22]。
下面分别对非几何信息作介绍：
1StandardNotes
StandardNotes不是用于描述零件，而是对知识产权和有关管理信息的说明，标准说明定义的具体内容由设计公司决定。
StandardNotes在MBD数据集中的表示如图2.3所示。
图2.3StandardNotes、PartNotes、AnnotationNotes定义
2PartNotes
PartNotes是对零件的制造工艺要求，有设计人员（需要工艺人员参与）最终确定的工艺要求，一般有加工精度、热处理、零件说明等信息。
PartNotes在MBD数据集中的表示如图2.3所示。
3AnnotationNotes
AnnotationNotes针对特定部位的工艺处理，AnnotationNotes是对零件的补充，包括旗注和旗注说明。
AnnotationNotes在MBD数据集中的表示如图2.3所示。
4MaterialDescription
MaterialDescription描述材料的信息
5AnnotationSet
AnnotationSet对零件的尺寸、公差、基准、粗糙度、注释等信息的描述。
AnnotationSet在MBD数据集中的表示如图2.4所示。
2.4AnnotationSet定义
6其它
除了以上以外在MBD数据集中还有ApprovalStatus、标准件等。
2.1.3MBD模型信息组织管理方法
MBD模型采用特征树的方法来组织和管理所有模型的几何信息和非几何信息。
零件模型有着十分复杂的拓扑模型，即在每一个CAD系统中，产品的每一个顶点、线段、面和体及其标注的关系存贮于复杂的数据结构中。
每一种CAD系统的内部数据结构都是不开放的，由CAD系统内部管理。
而且MBD模型中的绝大部分标注信息都不是单独存在的，而是与几何模型有关，依附于几何模型并形成关联关系。
因此，MBD模型在使用过程中要体现这种关联性，满足用户的多功能查询要求，即通过几何模型能查询到相关联的标注特征信息，而通过标注信息能提示它所表示的几何模型特征[17-20]。
MBD模型的规范树以分类结点的方式表达产品的所有几何信息和非几何信息，图2.5列出了完整的MBD模型特征树节点信息[23]。
图2.5MBD模型特征树节点信息
在CATIA中，对MBD模型的各类信息的管理采用视图和捕获的方法。
视图方式为有利于标注信息的组织与管理，而捕获则有利于标注估息的快速查找与显示。
（1）视图
视图方式是采用标注平面来存放尺寸、基准、公差、粗糙度、注释等信息，标注平面是一个已经定义平面，在CATIA上FT&A（功能性公差与标注）模块专门用于三维标注，FT&A内容非常多，在一个标注平面中只能显示有限的一部分。
因此，需要从众多的角度与位置定义标注平面。
利用视图的方式管理与识别每个标注平面，对其进行组织。
每个标注平面采用与它所包含标注信息相一致的最合适名称来命名标识[24]。
（2）捕获
捕获主要是针对数量众多的标注平面而产生的干涉所采用一个视角方向观察模型，它记录了使用者从哪个最清晰的视角观察产品的几何模型。
所有的捕获信息组织在标注集下的捕获分类节点中，以达到方便管理和后续使用的目的[24]。
2.2CATIA概述
2.2.1CATIA简介
CATIA（Computer-GraphicsAidedTri-DimensionalInteractiveApplication）是法国达索公司与IBM公司开发的CAD/CAE/CAM一体化软件，广泛应用于航空航天、汽车、船舶及电子工业，尤其在航空航天业，CATIA基本上占据了垄断地位[25-27]。
CATIA源于航空航天工业，是同行业内无可争辩的领袖。
以其精确安全，可靠性满足商业、防御和航空航天领域各种应用的需要。
世界上许多著名的航空企业都采用CATIA作为其核心设计软件。
CATIA模块众多，除了常用的零件设计、工程图、装配、草图的模块，对曲面、曲线的造型还有专门的模块，即线框与曲面设计、创成式外形设计等，此外还有应对不同专业的模块，如钣金模块、复材模块等。
CATIA的显著造型是创成式造型和自由风格造型，CATIA曲面功能已经超越了所有CAD软件[28-29]。
CATIA软件版本是达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。
从DassaultSystem成立，CATIA软件版本经历了V1版本，V2版本，V3版本，V4版本，V5版本，2010年又发布了V6版本。
但是由于V6各方面的限制，还没有得到广泛的应用，目前主要应用的还是V5版本，CATIAV5具有以下特点[30]：
（1）DassaultSystem为了适应时代的发展，满足用户的需求，在同一类产品中占领领先地位，不断地对CATIA软件版本进行升级，版本升级改变了传统的设计技术，采用了完全新颖的技术和标；
（2）CATIA软件可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。
允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。
（3）CATIA系统具有强大的数据提取功能。
在设计完成后，利用CATIA系统的数据提取功能可把所设计零件的特征尺寸提取出来，并存成设计表数据格式，从而为实现零件的参数化提供帮助。
（4）CATIA软件采用混合建模技术，这种技术与参数化设计有机结合，而且可以把几何信息、非几何信息统一建立在特征树中，反映到三维模型中。
（5）曲面造型功能是CATIA软件优于其它软件的一大优势，它内含了多种曲面造型设计，对于各种的曲线、曲面一般都能够处理，并且还有很多便捷功能；
（6）装配设计模块能够自动地对零件间的连接进行定义，便于对运动机构进行早期分析，大大加速了装配件的设计，后续应用则可利用此模型进行进一步的设计、分析和制造；
（7）能与PDM等相关软件进行集成，方便了数据管理。
2.2.2知识工程
知识工程是人工智能在知识信息处理方面的发展，它主要研究如何由计算机表示知识，进行问题的智能求解。
知识工程的研究使人工智能的研究从理论转向了实际应用，从基于推理的参数化模型转向基于知识的参数化模型，是新一代计算机的重要理论基础[31]。
我们可以在参数化建模中引入知识工程，结合特征造型理论，来弥补当前参数化设计的不足。
面向对象的技术已被深入应用于特征参数的描述，这使得特征本身已包含了参数化修改尺寸值所需的成员变量和成员函数，特征参数的尺寸值可作为尺寸变量，随时可以进行改变。
在此基础上，进一步使特征以及特征之间有一定的联动性，能随着条件改变而进行改变，即实现参数化特征[32]。
因此在参数化模型设计过程中包含模型设计的所有参数化信息，包括行业设计标准、模型参数尺寸，参数间关联、参数尺寸约束、特征关联等等，组成一个模型的知识库[33]。
因此我们可以用以下办法来解决传统参数化设计的不足。
（1）建立模型的参数间关联、特征关联。
由于一个特征是用一个对象来描述的，我们为特征设置一个属性activity时，当该属性值为ture时，该特征被激活；当该属性值为false时，该特征被隐藏，不出现在设计中。
这样我们就可以通过对参数尺寸变量值的范围、特征之间的关联关系等方法来确定某些特征是否被激活，是否需要进行参数化设计。
这也就说明在参数化设计过程中实现了模型特征驱动。
同时对参数尺寸关联库的建立更能很好的组
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