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全三维技术在飞机设计中的应用

2017/7/11    来源:互联网    作者:田承根  朱天文  刘新宇      
关键字:产品数字化定义  数据集成  产品数据管理  轻量化模型  
提出在飞机设计中采用数字化设计方法,实现全三维模型集成设计、制造、检验等信息,保证相互间的一致关联性,并作为唯一依据贯穿飞机研制全生命周期,提高设计制造效率,缩短研制周期。

    近年来随着信息技术、计算机技术的快速发展,我国的飞机研制数字化设计水平有了显著的提高,全机电子样机协调、全三维建模已经在沈阳飞机设计研究所某型飞机研制中得到全面应用,并取得了显著的效益。

    本文主要从3个方面描述全三维技术在飞机设计中的应用:(1)产品数字化定义,包括集成设计制造数据方法,三维模型数据在设计制造中的应用;(2)全三维信息模型产品数据集成管理,包括管理和使用高度集成的数据集方法,产品快速关联更改技术;(3)全三维信息模型轻量化管理及应用,包括轻量化模型意义、应用范围以及与主模型关联方法。

    1 全三维数字化产品的定义

    全三维的概念源于国外的MBD技术,美国机械工程师协会于1997年在波音公司的协助下开始进行有关MBD(Model Based Definition)标准的研究和制定工作,并于2003年成为美国国家标准“Y14.41 DIGITAL PRODUCT DEFINITION DATA PRACTICES”(数字化产品定义数据的实施)。波音公司在本标准基础上,做了进一步研究,制定了公司的基于模型定义MBD技术应用规范BDS一600系列。该技术将三维制造信息PMI(3D Product Manufacturing Information)与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中,使CAD和CAM(加工、装配、测量、检验)等实现真正的高度集成,数字化技术的应用有了新的跨越式发展,可不再使用二维图纸。

    从设计制造技术的发展来看,三维模型取代二维图纸是大势所趋,但对于如何用三维模型涵盖所有设计制造信息,国内仍处于摸索阶段。全三维数字化产品定义技术的主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数据中,而是充分利用三维模型所具备的表现力,去探索便于用户理解且更具效率的设计信息表达方式。这就需要打破原有的二维图纸规范的条条框框,针对局部表面处理、紧固件直径、密封形式等无法直观或准确描述内容,采用几何信息、几何+非几何信息等组合,甚至通过颜色、线型的不同来直观反映。

    通过研究国外MBD技术,厂所间进行交流,结合实际生产,规定各类工程信息的定义形式和方法,基于三维模型对材料、热处理、技术要求等非几何属性信息的生成机制进行了研究,并结合知识库将属性信息设置环境标准化、规范化;研究信息集成环境下非几何属性的组织及管理方式,以实现基于三维模型的材料、热处理、技术要求等非几何属性信息的集成管理;结合PDM数据管理环境,研究三维模型的属性信息存储方法,提出基于三维实体及数据库的信息存储模型,以保证信息的完整性、一致性。

    全三维信息模型以三维模型为载体,在统一的产品设计技术规范定义下,集成几何属性、非几何属性、管理属性等信息,作为设计、指导生产制造和装配、检测的单一数据源(见图1)。基于全三维信息模型,确定产品统一信息包含的内容,梳理面向产品全生命周期的集成化过程信息,加强制造工艺信息(如加工、装配、检测等)、构型管理信息及物料信息建模,建立可以支持产品全生命周期的统一建模方法。基于全三维信息模型,采用统一规范语义对过程信息进行规范,保证信息在不同平台和不同业务需求中能得到语义一致的数据,实现过程信息的集成、数据源一致和形式统一规范。

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    图1 全三维信息模型构成

    以飞机机翼的翼肋为例,它的外形可能是双曲率曲面,用常规的二维手段无法进行准确的描述,通过三维设计工具可以准确地在外形曲面基础上构建相应的三维实体,并增加相应的制造基准、检验尺寸等信息。

    在制造过程中不再需要传统的划线等工作。首先,基于三维模型进行工艺规划与准备;其次,数控编程,将软件生成的加工程序转换成相应的数控机床的Nc代码,并传人数控机床的控制系统,至此全三维模型具备了转化成真正产品的能力。

    在产品检验环节,基于三维模型的尺寸标注进行识别、提取检测特征,加以标识,并生成检测项目。通过在三维模型上采集测量点的坐标值,然后将数据点的坐标输入测量机并编制测量程序。操作测量机完成对零件的测量,比较测量点坐标测量值与三维模型理论值的误差值,误差值在公差范围内即为合格产品,最终实现全三维模型贯穿整个设计制造过程。

    2 全三维信息模型产品数据集成管理

    全三维信息模型产品数据集成管理主要利用消息中间件和面向服务的机制实现不同系统之间的数据集成,业务流程之间的整合和互操作。最终形成产品与过程集成化的信息模型,成为整个系统的基础层,将为特定功能或服务提供单一的基础数据源支持,如图2所示。

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    图2 面向研制全过程的集成化产品过程信息管理

责任编辑:张纯子
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