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材料信息在MBD数据集中的表达与集成应用研究

2017/10/30    来源:互联网    作者:田宪伟  王咏梅      
关键字:基于模型的定义  材料库  材料信息定义  数据重构  
对金属材料、非金属材料、复合材料零件在MBD模型中所需的材料信息进行了分析,结合CATIA模型的不同建模方法给出了材料信息定义方式。从管理及工程应用两个维度开展基于全生命周期的材料库管理及应用系统建设,用数字化方法加强设计阶段的选材控制。将模型中的材料信息粒度化,根据不同的使用需求,通过对材料库数据重构,为设计、强度、重量等专业提供唯一材料数据源,制造部门可充分利用MBD模型中的材料数据重构MBOM,从而达到对材料信息在全生命周期的集成应用。

    MBD技术在波音737-NX飞机上的成功应用在飞机设计制造一体化领域掀起了一场变革, MBD 国外民机转包生产引入中国以来,国内北航等高校先后开展了基础研究。文献对MBD模型的表达方式进行了研究,文献对技术注释在MBD 模型中的表达进行了初步解析,文献表明了国内航空究所在型号研制过程中开始了MBD技术应用的尝试,并在技术注释、标准件的简化表达及面向MBD 模型的构型管理方面经过艰难的探索过程,取得显著效果。国标委在标准层面参考ISO16792 标准的基础上,发布了国家标准《技术产品文件—数字化产品定义数据通则》(GB/T 24734-2009),用以规范国内企业的MBD 技术的应用,目前主流的三维CAD 系统也都开发了三维标注的模块,如CATIA 的FAT 模块,以支持三维标注的应用。文献提出了MBD 工序模型快速生成方法,尝试用MBD 工序模型取代传统的二维工艺卡。文献对MBD技术应用中出现的问题进行了归纳总结,文献在MBD技术应用的深度方面进行解析,为MBD技术的深入应用给以启示。

    笔者在民用大飞机适航取证过程中发现,国内的几个重点民用飞机型号均采用了MBD 技术,设计所MBD 技术应用程度较深,在局部应用方面有所突破,但在制造领域的应用还不够深入,MBD 应用缺少顶层设计,标准规范还不够健全,设计的数据源不唯一,制造厂对设计所提供的数据元无法直接重构利用,尤其在进行BOM 提取、构型审核时,设计构型和制造构型差异对比分析仍缺少先进的方法和手段,MBD 集成应用体系尚未完全形成。MBD 技术应用所带来的变革要想获得成功需要在原有二维图纸模式基础上进行多方面的革新,并进行数字化、系统化集成。本文从材料信息的表达入手,开展面向全生命周期的材料表达与数据管理研究,探索面向适航取证的MBD 集成应用路径。

材料信息在MBD模型中的定义

    基于模型的定义MBD(Model Based Definition)是使用三维实体模型及其关联数据来进行产品定义的方法,这些数据的集合也被称为数据集,它们包括总体尺寸、几何尺寸和公差、组件材料、特征和几何关系链接、轮廓外形、物料清单、工程说明和其他细节。在传统的以二维为辅、三维模型为主的研制模式下,材料信息只在图纸或BOM 中给出简单的材料名称或牌号信息,材料信息量小,不能满足设计、制造的全面需要,重量计算需要材料密度和模型的体积等信息,强度计算需要材料性能曲线,这些信息都需要相关人员查询材料手册或手动计算重新输入。MBD 理念下的材料信息管理需要突破传统的文件数据集管理粒度,穿透到文件数据集的内部,挖掘MBD 数据集的表现力,将材料信息粒度化、分散定义,通过三维设计软件和PLM 软件的集成实现单一控制权限下统一格式的集中工程数据定义、管理和再利用。

1 金属材料信息的定义

    MBD 数据集的材料信息可分为:(1)零件设计要求所使用的材料名称、种类、牌号、热处理状态、规格;(2)总体重量专业计算重量所需要的密度数据;(3)零件制造单位所需要的材料毛料尺寸;(4)采购部门进行材料采购所依据的材料规范;(5)设计部门规定的在材料性能满足要求的情况下,制造部门可使用的替代材料;(6)强度计算部门所使用的材料性能数据,如屈服强度、泊松比、应力应变曲线等。对于以上材料信息,在MBD 模型中可采用显性或隐性的方式表达,材料的性能、密度数据以材料球的方式在模型中进行隐性表达,这些信息可直接作为重量、强度专业的设计输入数据。材料名称、牌号、规范等信息在三维软件CAITIA中可采用建立几何图形集并配以参数的形式显性规范表达,如图1 所示。为实现以结构化BOM 数据为核心基础的产品数据管理,对材料信息进行粒度化分解组合,将材料名称和种类归为“材料名称”类,将材料牌号、热处理状态、规格归为“材料牌号”类,材料规范、毛料尺寸是工艺及采购部门直接需要的数据可单独作为一类。粒度的大小取决于产品数据管理的需要和企业生产管理能力。粒度越大,生产制造、采购等需要对材料信息进行人为或信息化处理,重构BOM 越难,管理越粗放,成本越高。粒度越小,后期重构BOM越容易,更利于精细化管理。

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    图1 材料信息在金属零件中的表达

2 非金属材料信息的定义

    在装配件中,经常需要表达密封、焊接、胶接定义,MBD 模式下必须建立相应的辅助耗材表达方式,让制造单位以直观的方式读出设计意图。密封区域用近似的几何形状表示,如包络体或曲面。包络体或面片以特殊颜色和透明度表示,每个密封定义项所定义的密封要求适用于所有与该密封定义项相关联的密封对象,当密封对象的要求发生变化时,则要生成新的密封定义项。在密封定义项下定义“密封材料”数据集,该数据集的定义可以与定义金属材料的方式相同,如图2 所示,以参数形式定义密封长度、厚度,通过自动计算方式给出重量数据。

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    图2 非金属材料信息在装配件中的表达

3 复合材料信息的定义

    复合材料结构铺叠成型的“增材”制造模式决定了复合材料零件的材料定义方式与金属零件的完全不同。主流复合材料专用设计软件主要有Fibersim 软件和CATIA 的CPD模块,为了实现复合材料的自动化下料、自动铺层等数字化制造方式,在软件中结合复合材料的设计方式,内嵌材料属性的表达方式(图3)。但其材料信息还不足以全部表达复合材料成型所用的全部材料信息,必须对软件自带的材料库进行扩展,并在结构树中参考金属材料、非金属材料的表达方式定义蜂窝拼接胶材料、面板与蜂窝胶接的胶层材料、蜂窝芯加强所用的泡胶材料、封边材料等。铺层设计完成后还应根据铺层的面密度,铺层的厚度计算出零件重量组后根据重量和体积给出拟合的材质球,系统根据材质球,自动进行重量、重心及转动惯量的计算。

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    图3 复合材料信息的表达

责任编辑:张纯子
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