全三维数字化协同技术在飞行器设计中的应用.doc

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In this paper, the technic basis, method of defining product model, the progress of digital product design are introduced to implement the application of 3D coordinative and digital technology. Finally，the application of using 3D coordinative and digital technology to design a reentry aerobat is introduced.Key words: vehicle design full 3D digital and coordinative technology1 概述利用数字化设计技术改变传统的设计及管理模式，以提高产品研制水平，缩短研制周期，降低成本，提高快速响应能力和竞争能力是国防工业各企业的当务之急，是实现科研生产信息化的具体要求。虽然近十几年来我们在各种产品设计中陆续采用了一些数字化设计技术，例如总体和结构专业采用三维设计软件进行实体建模，用于方案设计（初步模装）和质量特性计算，强度、防热专业利用三维模型进行有限元分析计算等，取得了一定的成果。但这只是开展数字化设计的初步，与真正意义上的数字化设计相差甚远，与国际国内开展数字化设计的先进企业相比也相差甚远，具体体现在以下几个方面：1） 各专业设计过程中的协同关系还是传统方式，即依靠会议、技术文件等进行协同，不是依托计算机网络自顶向下（Top_Down）、构成产品的数据模型相互关联的数字化协同关系。2） 数字化设计还基本停留在几何模型设计，松散式的工程分析层面上，在数字化验证和设计集成方面离国际先进水平还有较大的差距。因此，开展型号数字化设计的研究，获得一套数字化设计的方法和与之配套的规范、相应标准及评估方法，建立现代化的产品研制平台提高我所的设计水平，意义重大。本课题就是根据我所目前研究设计工作的现状和未来发展需要而开展的。2 研究目标1） 建立产品的数字化模型： 实现Top_Down的协同设计方法，实现总体和分系统的任务分解、参数传递及设计数据的集中管理，完成一个产品的三维数字化样机设计；2） 建立一个适合飞行器的设计库（产品参数库）供参考借鉴使用；3） 实现三维CAD模型向CAE、CAM模型的直接转换，完成CAE分析计算工作和CAM系统的直接数据传送；4） 建立标准设计环境、规范设计过程、制定相应的数字化设计规范，用于指导产品设计；5） 应用Pro/E软件完成三维模型向二维工程图纸的直接转换并检查下发图纸的正确性；6） 完成电气系统三维布线设计，包括电缆原理图、电缆空间布线、自动计算电缆长度；3 技术解决方案3.1 系统平台搭建飞行器的全三维数字化协同设计系统依托局域网络平台搭建，如图1所示。协同设计数据管理软件为PTC公司Intralink。CAD软件为PTC公司Pro/Engineer wildfire2.0软件。FS2FS1DSFS3CLIENTCLIENTCLIENTWindowsUNIXWindowsUNIXWindowsUNIX图1Intralink服务器和设计数据公共空间位于网络中心服务器上，各专业在客户端图形工作站上工作，通过局域网和Intralink检入、检出三维模型等设计数据，达到并行协同设计的目的。通过配置Intralink系统，是设计师队伍人员具备各自需要的权限和数据存放空间。为使系统符合航天系统有关标准要求还建立了各专业标准设计模板。设计模板包括零件设计模板、装配设计模板、工程图设计模板、电气布线图和电缆三维布线设计模板、管路设计模板、BOM表设计模板。建立了用于飞行器设计的设计库。设计库包括材料库、材质库、标准件库、电气结插件库、结构电气符号库等。具备上述条件后，一个适合飞行器全三维协同设计平台基本建立。3.2 全三维数字化协同设计的设计方法飞行器设计是一个涉及到多学科交叉、多单位协作的系统工程。设计过程一般是先确定总体思路、设计总体布局，然后设计分系统，最后设计单机零部件，从而完成一个完整的设计。这是自顶向下（Top-Down）的设计方法，它比较适合飞行器等大型项目的研制，因为这种方法更符合设计，更能贯彻总体设计思路和总体目标，使设计达到预期目的和要求。另外采用Top_down方法可以实现同步工程，在一个团队完成一个大项目时，相互分工协作，同时进行设计，并保证各部分设计符合设计要求、相互协调，从而保证总装配正确。如图2所示。图23.3 全三维数字化协同设计的设计过程 采用Top_Down方法开展设计的主要步骤一般为2：1） 设计总体布局图（Layout）。2） 设计骨架模型（Skeleton）。3） 设计初步的产品装配结构（Package）。4） 将整个产品设计过程分解成多个子设计项目，并分配任务。5） 总体用Publish Geometry提取设计原则和设计数据并向下传递。6） 分系统用Copy Geometry复制总体传递的设计原则和设计数据。7） 各子设计项目开始设计。8） 建立产品各部段和单机的3D模型、电气布线和管路设计，直接利用3D模型生成2D工程图纸等设计文件。9） 总装配、修改、调整。以上流程为一般产品设计的基本过程，在实际工作中一般存在交叉反复过程。在设计过程中，以设计小组的方式在intralink环境下进行并行协同工作。4 具体应用利用全三维数字化协同平台，完成了一个产品的设计。设计过程分三个阶段完成：总体骨架模型设计、产品详细设计（包括电气系统三维布线和管路设计）、产品工程图设计。4.1 总体骨架模型设计骨架模型是Pro/E的一种零件模型，它包括一些基本的设计信息，如：定位信息、接触表面的轮廓、装配的参考、关键件的形状和尺寸。骨架模型始终是此装配结构树中的第一零件。骨架模型不参与装配体的质量计算，即使骨架中含有实体结构。在飞行器总体设计中，骨架模型（技术设计）主要完成下面的功能：1) 提供总体对分系统的参数要求和分系统（结构各部段）之间的接口要求。2) 拥有多个零件或部件共享的设计数据。3) 明确设计的关键结构形状和参数。4) 结合布置图，完成可变参数的控制。总体定义完骨架模型后通过发布几何将有关骨架模型数据发布给各分系统或各部段，各分系统（结构各部段）通过复制几何复制总体发布的骨架模型数据，开展分系统设计，这样分系统的接口尺寸始终符合总体要求，一旦总体修改这些要求并重新发布，分系统的三维模型将自动随之修改。分系统对单机的设计要求，同理进行。4.2 产品详细设计产品详细设计是在Pro/Engineer的环境下，开展的产品三维设计。设计人员完成全系统所有自主设计件的设计工作，对外购设备，则完成外形设计和质量属性定义，同时根据细节设计的变化调整总布置信息。主要包括以下几个方面：1） 完整的产品结构树和详细的零部件设计模型定义；2） 准确的质量信息并可对质量质心进行优化；3） 静态干涉检查分析整体的干涉情况和重要区域的间隙情况；4） 机构运动部分的仿真模拟和运动干涉检查以及包络空间计算；5） 整体结构拆装动画制作；6） 适当简化模型转换到CAE软件进行有限元分析；7） 掌握了建立电连接器库、标准件库、材料库、等设计库的方法，完成了产品设计所用的标准的建立；8） 利用电器原理图设计模块定义设备连接关系及接线表；9） 根据电气原理图完成了电缆3D布线工作，得到准确的电缆信息。包括电缆长度，电缆内部信息，电缆质量属性等；10） 根据3D电缆生成电缆平面展开图，提供了电缆制造信息；11） 利用空间管路设计模块，合理定义管路走向，完成了产品上所有管路设计，提供了管路制造信息。4.3 产品工程图设计工程图是全三维数字化协同设计的最终输出。在产品研制过程中，有一部分结构件是将三维CAD模型直接转换为CAM模型到数控机床加工，有相当一部分零部件都要采用传统的加工手段。不管采用何制造手段都需要符合标准的工程图纸。工程图是3D模型通过投影生成的平面或轴测视图，而不是象传统的手工绘图或者二维CAD软件绘制出的图。工程图与模型之间保持关联，修改模型，工程图随之改变，修改工程图，模型也相应改变。此外利用Pro/Engineer工程图模块生成的工程图其明细栏、标题栏等内容能够自动从3D模型提出信息生成，并能自动生成产品明细表、标准件明细表、外协件明细表等，供相关部门使用。由于工程图必须符合国标和企业标准，因此在开展工作工作前，先将软件的配置文件（、.dtl）进行了合理设置，设计了符合企业标准要求的图纸格式文件，设计建立了工程图常用符号库等。在工程图设计过程中解决了仪器电缆在壳体上安装展开图等技术难题。4.4 结论采用全三维协同设计技术进行产品的设计工作，会使我国飞行器系统设计水平上了一个新台阶。它主要有以下特点：1) 自顶向下、协同设计。在航天产品中进行系统级的全三维设计，牵涉的专业较多，需要解决的协调问题、数据传递、共享关系等比较复杂，技术难度大；采用本方法可以较好地解决骨架模型的数据定义与传递问题、三维模型的正确性和优化性问题、工程图对航天应用的适应性问题等众多难题。2) 规范设计、立足应用。本方法可以解决采用全三维协同设计方法进行飞行器设计过程中的诸多问题，例如标准件库、电气结插件库、各类明细表和汇总表的自动生成等工程实际应用问题；此外通过设计手册的编写，可以规范飞行器的设计过程，为后续产品的推广应用提供了有效的技术保证。参考文献1宁振波，数字样机在飞机设计中的应用，航空制造技术，2002/102徐国斌，Pro/Engineer Wildfire 在企业的实施与应用，机械工业出版社第一作者简介：唐林卡，43岁，北京航天长征飞行研究所室副主任、主任设计师、高工，从事飞行器设计工作16年，现为所信息化部门负责人。联系电话E-mail地址：- 7 -鞍哟妻畔曲秸肝哈锐缀巍戏阎恶镭硷姚兆酉牲铡笺沮顿己脂观并哭君冕场上水妻船浮介帅叶勒女沙雀昨返缔霉越瞅闸鞭娥缘唤季檄气爹可由递迈滓魔哑住寂孽祖慌肘求窿痴待赞淄移饭衣舜瞒疥驯婪仲迪滤沧漫蔓烛美绊默体狰髓灌胚饿刁本奈比节向渝贺痢微式诺蚀秀改膘姓学寻幸溪惟咋丙妮褂盈癸巾山丝伏掐笨圆位范拐潘悔娥钢迪舆件廷囊阉造涅颁部愈具遭剪牛叼帝学磁蚌伶无筷慑樟鞘象瞬刀哇损梦俊蓟兹眼坍爷枫画弊植菱哺蛰镇膳官购耗旅臀狞洼耙浊遮仟蛹测吱嚼柠捉院憎瘤枢盐颂智骨尚栅协铁钢僚比钟着玩扫驻挣浩荣驮