0 引言
目前液体火箭发动机研制大多采用二维图纸为主、三维模型为辅的数字化研制模式。设计人员先完成产品方案设计和三维模型,然后将三维模型投影成二维图纸,在完成所有尺寸标注和信息填写后晒兰下厂,二维图纸成为生产加工的唯一依据。在该研制模式下,三维模型仅用于方案设计和辅助出图,不能用于产品加工、装配和检验等,未能充分发挥三维模型的作用。
随着信息化和计算机技术的快速发展,采用MBD (基于模型定义,Model Based Definition,简称MBD)技术的三维数字化设计与制造模式已在国内外航空、航天等领域广泛应用,并引起了设计过程和制造模式的革命性变革。该模式将MBD模型作为设计、加工过程中信息的唯一载体,并为并行协同设计提供了技术途径。
结合液体火箭发动机研制特点,通过采用MBD技术,某液体火箭发动机在国内首次实现了发动机全三维数字化协同设计。本文主要论述了MBD技术在该液体火箭发动机数字化设计中的应用情况,进一步促进了MBD技术在液体火箭发动机领域的应用。
1 MBD技术及其应用现状
1.1 MBD技术
基于模型定义(MBD1技术是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进数字化定义方法。
MBD技术最初由波音公司于20世纪90年代提出,并于2003年被美国ASME批准为机械产品工程模型的定义标准,即ASME Y14.41(数字化产品定义数据实施规程》。后来波音公司在该标准的基础上做了进一步研究,制定了BDS-600系列应用规范。2006年,ISO组织借鉴ASMEY14.41和BDS-600标准,制定了ISO 16792标准,进一步推动了数字化技术的应用发展。
MBD是产品定义方式的一次革命,它以更为强大的表现力和易于理解的定义方式,极大地提高了产品定义的设计质量和利用效率,使设计、制造融为一体,代表着未来产品设计技术的发展方向。
1.2 国外应用情况
波音公司早在20世纪90年代中期就已提出MBD的概念。从2004年开始,波音公司在787客机的设计和制造中开始全面应用MBD技术,实现三维模型完全取代二维图纸。MBD技术使三维实体模型成为飞机研制过程中的唯一依据,有效提升了飞机研制的效率和质量,并为波音公司带来了巨大的效率。2009年,波音公司在新一代“战神”航天运载器研制中采用了MBD技术,实现设计制造一体化,缩短装配工期57%。与此同时,空客、洛克希德·马丁等公司也在项目研制中全面采用了MBD技术。
1.3 国内应用情况
在国内,许多学者和航空航天单位已经充分认识到MBD技术将是今后数字化设计与制造的发展趋势,并大力开展以MBD为代表的数字化技术的研究与应用。2009年,全国技术产品文件标准化技术委员会借鉴国外MBD先进经验,结合我国机械行业实际情况,制定了GB/T 24734系列《数字化产品定义数据通则》,对产品的三维设计制造进行了相关规定。
目前MBD技术在国内航空领域应用较多,并已在以大飞机为代表的多种型号飞机的数字化设计与制造中得到应用。在航天领域,MBD技术的应用则起步相对较晚,目前仅在新一代运载火箭上初步使用,在液体火箭发动机领域的应用则相对较少。
2 MBD模型设计及应用
为了改进液体火箭发动机研制模式,提升我国液体火箭发动机设计水平,某液体火箭发动机采用了MBD技术,在国内首次实现了发动机全三维数字化设计,促进了MBD技术在液体火箭发动机领域的推广和应用。
2.1 协同设计平台
要实现采用MBD技术的数字化设计,必需构建一个三维协同设计平台。首先是选择三维建模软件, 目前比较流行的三维设计软件有很多,如CATIA、Pr0,E (Creo)、UG、SolidWorks和AutoCAD等。为了便于与火箭总体进行结构协调,某液体火箭发动机采用了PTC公司的Creo软件作为三维建模软件。在有了三维设计软件之后,协同平台还要为用户提供一个与三维设计无缝集成的模型共享机制,确保产品研制数据的一致性、共享性、有效性、完整性和可追溯性。Intralink是PTC公司开发的一个与Creo软件无缝集成又基于WEB的设计协同平台,它支持不同部门的多个CAD用户实时进行协同设计。因此某液体火箭发动机最终选择Creo+Intralink作为三维协同设计平台,其工作流程见图1。
图1 工作流程
2.2 三维设计规范
三维设计和原有的二维设计是两种不同的设计模式,必须有合理、严格的标准规范进行约束。
首先结合液体火箭发动机设计特点,参考国内外三维数字化设计规范,制定了二十余项适用于液体火箭发动机的三维数字化设计标准,规范化了三维模板、三维模型命名、三维模型着色、标准件库使用、三维标注和模型管理等内容。