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液体火箭发动机三维数字化协同设计研究

2017/10/10    来源:互联网    作者:秦红强  王猛  杨亚龙  陈彦林  刘雪利      
关键字:数字化协同设计  自顶向下设计模式  骨架模型  模型定义技术  IPT  
为了创新液体火箭发动机研制模式,提高数字化设计与制造水平,某液体火箭发动机研制采用了三维数字化协同设计模式。采用自顶向下设计模式和多层骨架方案,建立了发动机骨架模型,实现了无纸化接口协调;基于模型定义技术,将设计、工艺、材料和制造等相关信息全部包含在三维模型中,用三维模型完全取代了传统设计模式中的二维图纸;通过建立IPT开展协同设计,工艺人员并行介入产品设计流程,提前了解产品结构、开展工装设计和工艺模型设计。研究结果表明三维数字化协同设计可显著提高发动机研制效率,缩短研制周期,并为三维数字化制造奠定了坚实基础。

0 引言

    随着信息化技术和并行设计工程理念的飞速发展,三维数字化协同设计已在航空、航天、航海、石油、化工和汽车等领域广泛应用,对传统研制模式造成了很大的影响和冲击,并已成为机械产品设计行业的发展趋势。

    本文结合某液体火箭发动机三维数字化协同设计应用现状,论述了三维数字化协同设计的流程、特点以及应用成果,全面展示了三维数字化协同设计相对于传统研制模式的优势,促进了该模式在液体火箭发动机和其他机械产品领域的推广。

1 国内外现状

    国外基于产品数字样机的数字化设计与制造模式已广泛应用于航空、航天、船舶、石油和汽车等领域,并成为产品设计和制造行业发展的趋势。

    20世纪90年代初,波音公司在研制波音777时首次采用了全三维数字化设计、并行设计等数字化技术,率先实现了100%的数字化产品定义和三维数字化预装配,并通过实施飞机构型定义与控制、制造资源管理等大型工程,使得波音777的研制周期比波音767几乎缩短了50%,设计更改和返工率减少50%,装配时出现的问题数量减少了50%~80%。进入2l世纪,波音公司又推出了全球协同研制环境(GCE),实现了对波音787协同研制的支持,它给整个产品研制提供了一个崭新的系统方法和解决方案,真正实现了产品研制的全寿命周期数字化协同研制过程与系统的全面集成。

    在国内,航空领域的数字化应用起步较早,目前已在飞豹、歼20、运-20和ARJ2l等多个飞机型号上使用。其中运-20和ARJ21通过采用全三维数字化设计和并行工程方法实现了大部段对接一次成功和飞机上天一次成功。国内航天领域的数字化应用起步相对较晚,目前已在新一代运载火箭上进行了应用,其中CZ-7火箭已实现全寿命周期数字化研制。

2 设计模式对比

2.1 传统设计模式

    传统设计模式下的液体火箭发动机设计流程见图1。

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    图1 传统设计流程

    设计人员首先按照发动机系统设计输入完成产品方案设计和结构设计,然后完成二维图纸设计,再依次完成校对、审核、工艺会签、标审和批准,最后将二维图纸晒兰下厂。可以看出,传统设计模式未发挥三维数字化设计手段的优势,且整个研制过程是一个串行模式。传统设计模式存在以下缺点:

    1)串行模式导致设计各阶段脱节,产品设计周期长;

    2)工艺没有提前介人产品结构方案设计,在工艺会签阶段容易导致结构方案反复,工作量和设计成本成倍增加;

    3)二维图纸不易理解且可视性差,不能精确定义复杂形面;

    4)工艺在开展工艺路线设计时需要重新转换图纸所包含信息;

    5)不同零部组件之间进行结构尺寸协调比较困难且易出现误差;

    6)不能提前模拟和验证产品装配方案;

    7)无法直接开展产品三维数字化制造。

2.2 三维数字化协同设计模式

    基于三维数字化协同模式的液体火箭发动机设计流程见图2。

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    图2 三维数字化协同设计流程

    与传统设计模式相比,其显著特点表现为:

    1)采用全三维数字化设计手段,建立了全三维数字化模型,并用含三维标注的模型替代了原有的二维图纸;

    2)采用IPT研制模式,将串行设计变为并行设计。

    由于采用了新的设计技术和协同手段,该设计模式表现出以下优点:

    1)并行设计缩短了产品设计周期;

    2)工艺可以提前介入产品结构设计,产品结构方案不易出现反复,研制成本降低;

    3)三维模型可真实、立体反映产品设计意图,易于理解;

    4)工艺可直接在三维模型上开展工艺模型设计和工装设计,减少产品设计信息转换;

    5)便于开展三维仿真分析,优化结构方案;

    6)可进行数字化模拟装配,提前发现产品接口不一致问题,同时验证装配方案;

    7)为工厂开展三维数字化制造奠定了基础。

3 液体火箭发动机数字化协同设计

3.1 协同设计平台

    为了便于开展自顶向下的骨架模型设计,某液体火箭发动机研制中选择了PTC公司的CREO软件作为三维设计软件,并采用Intralink作为产品数据管理(PDM)和协同共享平台。

    产品设计人员首先利用CREO软件在工作区内完成模型设计,然后通过检人操作将数据上传至Intralink服务器实现数据载入和共享。模型发生修改时,首先将其检出到工作区,完成修改后再执行检人操作实现数据更新,具体工作流程见图3。

    3

    图3 工作流程

责任编辑:张纯子
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