基于mbd的飞机结构件建模及数据管理技术论文

第1章绪论11研究背景与意义111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11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11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。112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。12国内外研究现状121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MBDMODELBASEDDEFINITION，基于模型的定义技术67。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737NX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PLM7。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。122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；2MBD的定义还没有完全理解；3MBD制造模式的应用并没有处于好的时机；4MBD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。13课题来源与主要研究内容131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。132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。21基于模型的定义技术211MBD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910。如图21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21MBD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“Y1441DIGITALPRODUCTDEFINITIONDATAPRACTICES”（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（BDS600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1113。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1415，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22所示为零件的完整MBD数据集包含的信息。MBD数据集设计模型标注注释其它信息几何信息辅助几何信息几何元素三维标注工程注释材料信息管理信息图22MBD数据集的内容212MBD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PARTBODYPARTBODY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。ENGINEERINGGEOMETRYENGINEERINGGEOMETRY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。EXTERNALREFEFENCE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。CONSTRUCTIONGEOMETRYCONSTRUCTIONGEOMETRY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。REFEFENCEGEOMETRYREFEFENCEGEOMETRY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STANDARDNOTESSTANDARDNOTES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23所示。图23STANDARDNOTES、PARTNOTES、ANNOTATIONNOTES定义PARTNOTESPARTNOTES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23所示。ANNOTATIONNOTESANNOTATIONNOTES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23所示。MATERIALDESCRIPTIONMATERIALDESCRIPTION描述材料的信息ANNOTATIONSETANNOTATIONSET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24所示。24ANNOTATIONSET定义其它除了以上以外在MBD数据集中还有APPROVALSTATUS、标准件等。213MBD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1720。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25列出了完整的MBD模型特征树节点信息23。图25MBD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在ADDIN类中添加两个PUBLIC函数声明VOIDCREATECOMMANDSCATCMDCONTAINERCREATETOOLBARS并在ADDINCPP中添加宏定义INCLUDE“CATCOMMANDHEADERH“MACDECLAREHEADERPARTCMDHEADER在方法CREATETOOLBARS中，建立相应的按钮入口。菜单的定义NEWACCESSCATCMDCONTAINER,PMYCONTAINERMBR,MYCONTAINERMBRNEWACCESSCATCMDCONTAINER,PMYMBR,结构件/MENUTITLESETACCESSCHILDPMYCONTAINERMBR,PMYMBRNEWACCESSCATCMDSTARTER,PCMDMENU1,CMDMENU1SETACCESSCOMMANDPCMDMENU1,“模板库“/下拉菜单1SETACCESSCHILDPMYMBR,PCMDMENU1NEWACCESSCATCMDSTARTER,PCMDMENU2,CMDMENU2SETACCESSCOMMANDPCMDMENU2,“特征库“/下拉菜单2SETACCESSNEXTPCMDMENU1,PCMDMENU2工具条的定义NEWACCESSCATCMDCONTAINER,PMYTLB,结构件/TOOLBARSNEWACCESSCATCMDSTARTER,PMYCMD1,MYCMD1SETACCESSCOMMANDPMYCMD1,“模板库“/工具条1SETACCESSCHILDPMYTLB,PMYCMD1NEWACCESSCATCMDSTARTER,PMYCMD2,MYCMD2SETACCESSCOMMANDPMYCMD2,“特征库“/工具条2SETACCESSNEXTPMYCMD1,PMYCMD2SETADDINMENUPMYTLB,PMYCONTAINERMBRADDTOOLBARVIEWPMYTLB,1,TOP最后连接按钮和菜单的资源，这一类信息都包含在资源文件CATNIS和CATRSC中。图210为添加的工具条与菜单。图210菜单、工具条2命令的相应经过上面的操作菜单与工具条已经嵌入到CATIA系统中，但还只是空壳，把这个空壳和命令相应界面连接起来还需要向想这个互相联系的按钮和菜单中添加命令。本文通过向框架中添加一个CATCOMMAND来实现。创建命令相应，在方法CREATECOMMANDS添加函数NEWPARTCMDHEADER“模板库“,“CMDMODULE“,“TESTCMD1“,VOIDNULLNEWPARTCMDHEADER“特征库“,“CMDMODULE“,“TESTCMD2“,VOIDNULL新建一个MOUDLE，命名为CMDMODULE，注意的是新建的MOUDLE名称一定要与第一步中的MOUDLE保持一致。将CMDMODULE设置为启动项目。在CMDMODULE中添加COMMAND，方法为文件ADDCAAV5ITEMCATIARESOURCECOMMAND。如图，新建一个名称为TESTCMD的COMMAND，注意这个COMMAND的名称要与CREATECOMMANDS函数的第三个参数保持一致。在CMDMOUDLE中插入对话框。方法与插入COMMAND类似插入CATIARESOURCEDIALOG。在TESTCMDCPP的头文件中加入INCLUDE“DLGH“，在BUILDGRAPH函数中加入如下代码DLGPINEWDLGPIBUILDPISETVISIBILITYCATDLGSHOW在此，就将二次开发的按钮和菜单与操作命令之间建立了响应。3对话框在上一步中插入了对话框，CATIA提供了不同于类型的对话框，它的对话框架包含在类CATINTERACTIVEAPPLICATION下。图211为CATIA对话框类。对话框主要包括了两个主要的类型1容器，主要包括组件对象的布置，容器即可见也可不可见，其本身并不和用户直接交互，除了重新定义窗口的大小。2组件，是填充容器的基本要素，需要与用户交互，包括控件，菜单，其它的有分隔条以及对其它控件的命名等的指标控件。211CATIA对话框类24小结本章介绍了基于MBD的CATIA二次开发方式，首先分析了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，而后介绍了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，并且介绍了如何运用CAA开发实现工作台、菜单、工具条、对话框的嵌入。第3章基于MBD的飞机结构件参数化系统的总体设计数字化产品设计是现代飞机设计方向，而使用模板库、特征库是快速造型所必需的手段。在飞机设计过程中,典型结构件使用频率高,而且典型结构件的外形通常变化并不大，所以建立基于MBD模板库就显得非常必要。在本章首先分析了飞机结构件的特点，根据其自身的结构特点总结了一系列典型的飞机结构件，对于此类结构件提出了基于MBD的参数化模板库库系统的设计方案。建立典型结构件模板库方便设计人员在进行结构设计时能够根据需求调用不同的模板零件，快速的建立MBD模型，这样既简化了设计过程，又规范了建模操作，大大提高了工作效率，对于飞机设计具有非常重要的意义。31飞机结构件概述311飞机结构件概述飞机结构一般由五个主要部分组成机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置，其中机翼和机身又是构成机体最主要的部分，在整机中的占有相当大的比重，这两个部分包含大量的飞机结构件。飞机结构件是构成飞机机体骨架重要组成部分，主要包括框、梁、壁板等多种类型45。它们品种繁多、形状复杂、材料各异。在现代飞机设计中，大规模采用整体结构件作为飞机的主要承力构件。结构件的整体外形准确、强度高、重量轻、结构刚性好、气密性好，因为广泛采用整体结构件，这样很大程度上减少了飞机整体零件数目，在减少了装配工作量的同时，显著的提高了飞机制造质量和整体性能。与一般机械制造业零件不同，飞机结构件在结构形状和加工工艺有很多自身的特点，例如构件尺寸较大，结构较为复杂，壁薄，容易变形，设计、加工特征多，包含很多自由曲面、相交特征及特殊区域，设计和加工难度较大。飞机机体骨架和气动外形是构成飞机结构件的主要组成部分，在飞机制造行业，随着大量新技术、新结构、新材料的应用，使得飞机各方面性能得到逐渐提高。飞机结构件的结构特点如下1结构大型化在现代飞机的设计中，大量采用大型整体结构件，这样可以减轻飞机整体重量，减少结构件零件数量，提高零件强度和可靠性，大大提高了飞机的制造质量。2结构复杂化因为飞机结构件的外部轮廓与其它装配零件存在复杂的协调关系，其外形又多与飞机的气动外形密切相关，由此产生大量的复杂下陷结构。3材料多元化提高飞机的性能，必然提高飞机材料的性能，铝合金、钛合金、复合材料等新型高性能材料在飞机结构件中的比重逐渐提高，高强度、低密度轻质材料成为飞机结构件材料的应用趋势。4制造精确化为了满足现代飞机性能和装配的要求，对飞机结构件的制造精度要求越来越高，如形状、位置、尺寸公差等46。312典型飞机结构件飞机典型结构件是指在结构上比较相似的飞机典型零件,具有数量多，使用率高，可重用等特点。典型结构件不同于国家正式颁布的标准件，它们在形状上不一定相同，而且不同机型也不一定相同，所以不能在设计之前确定。下面将介绍典型的几种结构件（本文主要针对于机翼部分的结构件）。1翼梁主要由腹板和缘条组成，与机身固接，如图31所示。翼梁的典型结构形式主要有6种47，现代机翼一般采用腹板式金属翼梁，缘条多由厚壁开口型材制成，具有规则的截面形状；腹板则按照受力要求，分布在缘条延伸方向。缘条和腹板多用铆接而成。翼梁主要受力功能是承受机翼的弯矩和剪力，其缘条承受弯矩引起的轴向力，腹板承受机翼的剪力和扭矩引起的剪流48。其结构复杂，特征较多，为了提高腹板的剪切稳定性腹板上经常有加强支柱。图31翼梁2翼肋按照受力大小的不同分为普通肋和加强肋49，普通肋主要作用是传递局部气动载荷及维持剖面形状，而加强肋除具有普通肋的受力能力外，还传递来自其它部件传来的集中载荷和将某种形式的分布剪流转换成另一种形式的分布剪流的作用。翼肋一般同样具有腹板和缘条，从翼肋的受力特性上看，翼肋也是梁，其外形和机翼机翼外形大致相似，对于固定型号的飞机来说，翼肋的外形是固定的，而对于不同型号的飞机来说，其外形差别很大，但其内部结构差别不大。3桁条作为飞机的主要结构部件，其主要功能是将蒙皮上的气动载荷传递给机翼、机身和尾翼的主承载部件，是蒙皮的纵向支持构件。桁条在飞机翼类结构件中相对简单，其截面就大体可以确定桁条的形状。4纵墙也是有腹板和缘条组成，如图32所示。从结构上看，纵墙的外形与翼梁相似，但缘条比梁缘条弱得多，一般与长桁相近，纵墙与机身的连接为铰接，腹板即没有缘条。墙和腹板一般都不能承受弯矩，但与蒙皮组成封闭盒段以承受机翼的扭矩，后墙则还有封闭机翼内部容积的作用50。图32纵墙飞机的典型结构件比较多，如角片、铰链、拉杆接头、框等在这里将不再一一介绍。针对飞机结构件的相似性特点，将不同的结构件根据其自身的结构特点归纳、整理并建立模板库,则会很大程度上方便设计人员进行不同机型的飞机设计建模。使用对结构件进行分类时,由于每类结构件对象的子对象除了具体尺寸数值和局部特征发生了变化外,其基本几何特征都相同,因此设计人员使用时只需选择同类件,并在CATIA环境中生成实体,就可在该实体基础上进行补充设计,可极大地简化设计过程,减轻了重复性工作，提高设计效率。飞机典型结构件分为11类。32参数化设计321参数化设计概念参数化设计PARAMETRICDESIGN，也叫尺寸驱动DIMENSIONDRIVEN是指在设计的对象外部形状跟内部结构大体一致的情况下，可以用一组参数值来约定其大小关系。参数化设计是CAD建模技术在实际应用过程中提出并得到迅速发展的、有着强大实际应用价值的技术。它不仅可使CAD建模系统具有交互式的绘图功能，还具有自动绘图功能。参数化设计技术是新一代智能化、集成化CAD建模系统的核心技术之一，也是当前CAD建模技术的研究的前沿方向。参数化设计一般是指代结构形状比较定型的设计对象，可以用一组参数值来约束特征参数的数值关系，参数与设计对象的控制参数值有明显的一一对应关系，由参数值的变换驱动的修改设计结果51。而参数化设计的约束设计是用自由度分析和理想结构矩阵的概念，建立了一种基于参数值约束和参数之间关系约束的参数化模型的几何行为描述，能够准确高效地在已有图形基础上自动建立起参数的约束关系，实现对三维参数化模型的几何约束驱动。参数化的显著优势是使设计人员从重复的工作任务解脱出来，能够快速的建立三维模型，提高了工作效率，减少了工作量，增加了产品的研发速度。因而，研究和提高参数化设计技术，是CAD应用领域内的一个重要的任务52。传统的参数化设计经常利用已有参数模型的设计，提取一些主要的外部形状或者主要的内部结构变化的参数尺寸作为自定义变量，修改这些参数变量的同时由一些简单公式计算并修改其它相关参数的尺寸，最终可得到所需的新的三维参数化模型53。虽然传统的参数化在对模型的快速建立方面有着重大的意义，但是在设计方面却明显有着以下几点不足1参数的自定义变量只能驱动模型特定参数的几何尺寸，即通过编辑公式来修改零件参数的几何尺寸，而零件外部形状不能随着改变，即零件模型的组成特征已经基本给定,几乎不能改变。2模型参数的自定义变量之间相互独立，基本不容易建立任何函数关系，也不便对每个变量进行约束。这使得对某些参数变量进行修改比较大的值时，某些特征会出现严重变形，甚至使该特征和与它相关联的其它特征出现约束错误，出现失真的特征，造成模型信息的错误传输。参数化设计涉及到一些参数驱动、参数约束关系的建立、模型特征关联、参数之间的联动等概念及其关键技术。参数化设计系统具有结构简单、构造容易、运行效率高、可靠性和稳定性好的特点，有利于对参数化模型的标准化、模块化和系列化的设计。322基于MBD零件的参数化建模特点在课题的研究中要实现MBD参数化设计，参数化模型的建立是基础。参数化模型显示了零件图形内部的几何约束和工程约束。几何约束包含了构造约束和尺寸约束。构造约束指的是多个特征参数之间的拓扑约束关系，如相交、相合、对称等；尺寸约束则是通过三维标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示54。MBD技术通过在三维模型上定义完整的产品定义信息，替换过去依靠二维图样飞机定义方式，即将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种设计信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中，他涉及到设计、工艺、工装等参与飞机研制的全部过程都能够在直观、语义信息丰富的三维可视化环境下进行并进行研制和沟通交流，保证涉及数据的唯一性。有助于促进飞机研制周期的缩短和产品质量的提高。一个零部件一般是由若干个特征组成的，我们要想实现一个零部件的MBD模型的参数化，就必须首先实现其各个特征的参数化，模型特征的参数化是实现零部件参数化的基础。零部件的参数化建模，首先需根据零部件特征与特征间的关系来确定零部件建模的方法，即设计确定出建模顺序和方法；其次就是选取零部件中需要建立参数化的参数变量，然后依据参数变量对零部件模型进行参数化设计，最后再对零部件模型设计参数检验规则和提示，并确定参数变量的范围，以避免零部件模型参数化出现错误。参数化具有基于特征、模型参数驱动、全参数数据相关、部分参数驱动设计修改的特点。1基于特征的造型是以三维实体模型为基础，用一定的设计为造型的基本单元建立零部件几何模型，一般来说主要用外部形状特征，它分为各种凹槽、凸台、孔等。2全参数尺寸约束主要考虑模型整体的改变，一般涉及到过程设计情况，全约束，全参数数据相关有利于用代数方程组求解。3部分尺寸驱动是选取一组指定的参数与几何约束相联系，修改参数值就能修改模型。33参数化系统的总体设计对飞机结构件来说，梁、肋、框、长桁、接头等典型结构件构成了飞机主要结构，所以可以将典型结构件进行分类，将设计规范、标准通过参数形式编入设计表中，建立起结构件模板，或借助CATIA二次开发功能建立结构件模板库，方便设计员在进行结构设计时按照要求调用不同的模板零件，既简化了设计过程，又规范了建模操作，大大提高了工作效率。331系统设计原则本系统采用CATIA软件进行二次开发，又借用数据库结构，所以必须满足几个原则1面向对象原则2界面友好原则3交互式原则4通用性原则5模块化原则332系统功能本文的参数化系统主要针对飞机典型的结构件，总结了典型结构件信息知识，将信息知识融入到飞机结构件的建模系统中。本文所开发的系统可分为三个功能模块功能嵌入模块、MBD建模模块、数据库模块；两个系统部分CATIA系统、WINDOWS系统，如图33所示为系统的功能模块图。系统实现的具体功能如下1系统的功能嵌入模块是将系统嵌入到CATIA软件中，并与CATIA进行无缝集成，能够在CATIA中进入不同子设计系统对应的菜单项和按钮项响应。2MBD建模模块是根据飞机结构件的信息，对结构件进行模块化设计，在此基础上，实现了各个模块的参数化建模。当进行建模时能够进入参数化界面，在界面上输入MBD的几何信息与非几何信息，即可生成新的MBD模型。3数据库模块要求输入的MBD信息可以保存到数据库中，并能够实时更新到零件参数化设计界面中，这些设计数据能够通过数据库实现共享，能够保证飞机结构件的设计更加科学和规范。图33功能模块333系统的总体结构本文开发的参数化模板库库系统实际上是有模板建立、模板管理、模板实现组成，第四章与第五章分别对这几部分进行介绍，这几部分结合在一起就构成了一个整体，也就是系统的总体结构。本文开发的系统的体系结构采用两层C/S模式的体系结构，逻辑上分为三层即数据库层、中间逻辑实现层和表现层或应用层，中间逻辑实现层和表现层组成客户端，其框架所示。其中，数据层封装了MBD信息，也就是模板库、几何信息库、非几何信息库等零件生成所需要的数据。逻辑层封装了系统的主要功能模块，即为模板库，包括模板创建、模板存储、参数信息表、基准要素表、非几何信息表。这一层是系统开发中任务最重的一层。而应用层则是在界面上实现在CAD系统中对各功能组件的组合调用，在CATIA中主要是通过系统菜单或工具条来实现该操作的。34参数化系统模板库的建库方法341模板库的体系结构模板库的基本设计思想主要分为三部分一是如何实现模板的合理参数化；二是如何对模板相关信息的合理提取、存储和管理；三是如何能够快速检索模板的相关信息，实现模板库的方便应用。使用模板库工具的流程为先从零件三维模板库中选出符合要求调用MBD模板，然后从模板的参数表中提取信息，使之与模型中的可变信息进行匹配，再将值赋给模型，最后生成设计需要的模型。为实现参数化模板功能，一个简单的模板库的体系结构所示,可以看出，系统主要需要对数据源和程序进行开发。在该体系结构中，数据源主要由两个数据库表构成MBD几何信息库和MBD非几何信息库。两者的联系和设计在下一章进行分析和阐述。342模板库的建库方法模板设计是整个模板库的基础，而模板库的建立是参数化系统模板库的主要任务，目前开发的库多为标准件库，这些标准件库只有调用功能，没有增加、删除、修改等操作，而且这些库只能操作一次，当要再一次使用它时可能发现库有明显的结构变动。因此建立模板库就显得非常必要，尤其是基于MBD的参数化模板库，因为MBD是现代数字化研究方向的一个重要趋势。为了实现飞机结构件模板库以及普通模板库的设计，本文建立模板库的设计流程如图所示。可以看出，该流程中，在模板添加到库中的同时，系统会自动生成对应的MBD信息表，并且MBD信息表可以手动和自动添加。这种流程具有如下优点1降低工作量，提高效率减少。在该系统中能够直接自动生成信息表，在飞机典型结构件中由于各种种类的零件繁多，所以可以有效减轻数据录入人员的工作量。2提高了可靠性，降低了出错率。信息表的自动建立，有效避免了手工建表可能出现的种种误差，提高了结构件模板和结构件信息表匹配过程中的可靠性。3增加了修改功能，可操作性强。提供了对结构件模板库和结构件信息表的修改、添加等功能。35小结本章通过对飞机的结构件的分析列举出一系列典型的飞机结构件，这类结构件在飞机设计使用较为频繁，而且结构外形上变化较小。通过对这类典型结构件的分析与研究，提出了一套基于MBD的参数化模板库库系统的建立方法，借助CATIAV5R18三维CAD软件平台,以与MICROSOFTVISUALSTUDIO2005C无缝集成的CAARADE为开发工具,通过使用CATIA二次开发功能和数据库功能,建立基于MBD的飞机典型结构件参数化模板库库系统。第4章基于MBD的参数化模板库的建立与管理MBD技术是当今数字化发展方向的一个重要方面，它改变了传统的信息表达方法，适应了数字化设计制造的发展要求，参数化模板库是实现快速建模的一个非常重要的手段，因此建立基于MBD的参数化模板库就成为本文研究的方向。本文通过在MICROSOFTVISUALSTUDIO2005和DASSAULT公司的CATIA软件二次开发工具CAA共同组建的平台上，开发了这套参数化模板库系统。在本章中，首先建立了模板库的管理对象参数化模板，模板库系统需要有能够快速检索到目标模板，并根据实际需求为模板选择合适的信息进行实例化，所以为了满足以上需求，就必须对系统的管理对象进行合理化的参数化建模，并为其建立信息表，这就是本章所研究的内容。41基于MBD的参数化模板的建立411MBD模型模板的划分飞机结构件是飞机结构的重要组成部分，典型的结构件数量多，使用率高，可重用，在第三章的312节中对典型的结构件的类型进行了划分。由于结构件的系列轮廓结构较多，通过分类将结构件按照每一种轮廓结构应用参数化建模的方法建立参数化模型模板。根据312节中对典型的结构件的划分，先对结构件模板进行了划分，具体的划分如图41所示。在通过结构件模板的划分就可以建立MBD模板，将MBD模型模板入库。然后，在本文提出的典型结构件参数化设计系统中，设计人员根据输入或选择的要求决定选择MBD模型模板。最后，通过程序参数赋值到模型模板的表达式中驱动模型更新，完成设计并发布审核。图41飞机典型结构件412MBD模板模型的建立模板库作为全三维参数化系统的组成模块，是提高飞机设计效率的重要条件。模板库的建立与使用也是全三维参数化系统二次开发中的基础工作之一。下面就以飞机结构件中为“”形梁为例说明MBD模板的建立过程。“”形梁的构造如图42所示。图42“”形梁“”形梁是飞机结构件中应用较多的一种梁型结构，对此梁进行参数化建模首先应该确定该梁的几何信息，根据梁的几何信息建立三维模型，然后再根据实际要求确定梁非几何信息。1梁的几何信息的确定经过对“”形梁进行分析与研究得知，梁的几何信息主要是确定梁建模所需要的基准要素与参数两个重要信息。梁的基准要素是梁建模所需要的最基本的元素，也是这个模型建立的基础，如图所示，根据MBD的定义要求把这些基准要素定义在ENGINEERINGGEOMETRY中，在定义基准要素时要把与模型有直接关联的要素放在一起，而与模型无直接关系的要素另外放在一起，这样有助于方便以后的参数化。参数化设计的本质是基于约束的产品描述方法，用一组参数约束几何实体的一组结构尺寸，数与尺寸之间显式对应，以表格形式表示。当赋予不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何体55。参数有主要参数与次要参数之分，主要参数是用来控制模型的几何尺寸与拓扑关系，当主要参数改变时模型的形状发生较大的改变。次要参数是除了主要参数以外的所以参数，在后续实现时一般可以不设置参数而直接用关系式表示。“”形梁的主要设计参数，它们与造型中的参数进行关联，在CATIA中定义参数、公式来驱动模型的建立。在CATIA软件中，利用FX公式编辑器命令，选择“新建类型参数”并定义参数类型，如图所示，添加如图43所示的参数。于是在CATIA特征树上出现了已定义的各个特征参数和参数之间的关系。图43参数列表2“”形梁模型的建立利用现有的基准要素创建“”形梁，如图44所示，“”形梁是有各类特征组合而成，在创建“”形梁时不仅要把基准要素与模型关联，而且还要把定义好的设计参数与模型关联，利用如图45公式编辑器创建尺寸与设计参数的关系，如图43是建立的“”形梁与设计参数的公式关系。图44基准要素图45公式编辑器3梁的非几何信息的建立对“”形梁的非几何信息主要是两部分一是标注集的建立，另外是对除标注集以外的其它信息，如STANDARDNOTES、PARTNOTES、ANNOTATIONNOTES、MATERIALDESCRIPTION等建立。在打开CATIA软件进入FT/从FACTORY赋值，到提取参数值CATICKEPARMFACTORY_VARSPCKEFACTSPPARTCONATINERCATIVISITOR_VARASTANDARDVISITORSPCKEFACTCREATESTANDARDVISITORIID_CATICKEPARM,CATIPARMPUBLISHER_VARSPPARMPUBLISHERPIPROD/获取模型特征树PART的PARTCONTAINERCATIPRTCONTAINER_VARJDCREATEDFTCMDGETPRTCONTAINERCATIPRODUCT_VARIOBJECTHRESULTRCCATIPRTCONTAINER_VARSPROOTCONTNULL_VARCATIPRODUCT_VARSPREFPRODUCTIOBJECTGETREFERENCEPRODUCTIFPIPRTCONTAINERONROOTNULLSPROOTCONTPIPRTCONTAINERONROOTPIPRTCONTAINERONROOTRELEASEPIPRTCONTAINERONROOTNULLRETURNSPROOTCONT423MBD模型的非几何信息的提取根据MBD的非几何信息在CATIA软件的表达方式的不同，把非几何信息的提取分为两类一类是标注集，另外一类是除标注集以外的其它信息，如STANDARDNOTES、PARTNOTES、ANNOTATIONNOTES、MATERIALDESCRIPTION等。标注集是尺寸、公差、粗糙度等的集合，它们在CATIA软件中有专门的接口函数，所以对这类非几何信息应该单独提取，标注集信息的提取流程图如图412所示开始打开MBD模型模板文档获取零件容器指针获取零件特征句柄遍历模型信息非几何信息提取修改非几何信息检验设计结果生成模型结束输入非几何信息检验信息的合法性YYNN图412MBD模型信息提取流程图即先打开