基于MBD技术的航天复杂产品全三维设计应用实践

前言

       MBD（Model Based Definition）技术，即基于模型定义技术，MBD是产品数字化定义的先进方法，它是指产品定义的各类信息按照模型的方式组织，其核心内容是产品的几何模型，所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息等都附着在产品的三维模型上，一般情况下不再有二维工程图纸。MBD技术改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息，用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品定义方法。MBD技术使三维数模作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统的以工程图纸为主，以三维实体模型为辅的制造方法。航天产品在产品设计上具有产品结构复杂、设计更改频繁、零部件数量庞大、材料种类繁多等特点；在产品制造上具有工艺专业种类多、加工/装配工艺复杂、制造流程长、零部件配套关系复杂等特点；在管理上具有工程更改频繁、供应链复杂、协作协同复杂、产品质量要求高、按批次管理等特点，并且航天型号产品在其产品生命周期涉及到多产品、多企业、多部门、多业务之间的复杂协作，而新出现的MBD技术则真正的将这些需求串联起来。

       本文结合MBD技术在国内外应用现状，通过基于PDM系统的三维模型技术状态管理、基于MBD的数字化设计工具集、基于PDM系统的MBD模型检查、基于PDM系统的基础资源库及三维货架产品库、基于MBD的数字化标准体系等方面阐述了湖北航天技术研究院总体设计所（以下简称“设计所”）基于MBD技术的航天复杂产品全三维设计应用实践过程中的具体做法。

1 国内外现状

       目前，MBD技术在国外的应用已经比较成熟，在空客公司和波音公司已经得到全面应用和推广，并给企业带来了巨大的效益。当前，我国航空领域的MBD技术应用发展迅速，MBD技术的引入和工程实践也已开展多年，应用MBD技术也使飞机的数字化制造水平有了大幅提升，然而航天领域在相关方面仍旧于落后的局面。随着市场竞争的加剧和全球化，航天企业在不断缩短制造周期和提高资源利用率的同时，更加趋向于设计、工艺与制造过程以及整个供应链的紧密协同。因此建立适应自身企业特点的MBD技术应用推广路线和技术体系，使得数字化模型贯穿于整个产品生命周期的数字化制造过程中，建立基于MBD模型的航天复杂产品全三维设计体系，是缩短产品研制周期、提高产品质量、降低产品成本、保证产品研制节点的迫切需求。

2 应用实践

       2.1 基于PDM系统的三维模型技术状态管理

       设计所在航天复杂产品研制过程中全面开展全三维结构设计，充分应用自顶向下的协同设计理念开展上下游协同设计，同时基于PDM系统开展三维模型的数字化技术状态管理，构建了产品的全型号骨架模型，采用MBD三维骨架模型作为载体，传递结构总体的设计意图和设计参数，从而保证上下游设计参数的一致性，减少结构不协调的问题，基于PDM系统开展三维设计、三维审签、三维发放，完成了基于MBD的三维设计、标注、审签工具的迭代优化。

       2.2 基于MBD的数字化设计工具集

       基于设计所现有的三维设计软件Creo和PDM系统，利用Creo的二次开发技术，完成了从属关系编辑、参数批量赋值、质量属性提取、批量打印二维图、明细表导出、三维模型轻量化（协调模型转换、仿真模型转换、生产模型转换）、模型规范性修复（模型智能处理、图框智能处理）、标准件智能删除、爆炸图快速生成、标准件智能装配、全三维设计变更表达、三维布管工具等20项MBD数字化设计工具的开发、测试、优化及部署上线，开发项目业务需求的功能模块，这些专门针对全三维设计过程中痛点而开发的三维设计工具极大的节省了设计师的时间，提高了工作效率。主要解决了以下问题：

       1）解决三维模型轻量化转换过程复杂、操作繁琐的问题，实现将三维模型按需转换成协调模型、生产模型及仿真模型，保护企业设计知识产权，提高三维模型轻量化的效率；

       2）解决三维标注模型规范下厂的问题，实现三维标注模型通过生产模型转换服务器转换，并能在厂所PDM系统中进行数据会签及下发，规范三维标注模型转换及下厂的规范管理；

       3）解决现有设计过程标准件删除效率低的问题，实现一键删除装配下的标准件；

       4）解决手动修复历史数据效率低的问题，实现三维模型和图框的快速批量处理，使之与现有的设计模板一致，提高历史模型的重用率；

       5）解决三维标注模型更改过程中表达不清晰、规范的问题，实现三维标注模型的规范化更改，并生成变更视图及变更列表；

       6）解决标准件装配过程中，重复操作多、装配效率低的问题，实现标准紧固件快速选择、成组装配；

       7）解决三维爆炸图手动分解效率低的问题，实现三维爆炸图快速智能化生成；

       8）解决三维布管过程中，设计过程繁琐，手动布管效率低的问题，实现管夹零件、管接头的规范化管理及装配，管线库规范化管理及选用，同时，快速创建管路组件并进行三维布管，还可以根据需要创建技术要求，统计管路信息等，提高三维布管的效率；

       9）解决工具安装部署繁琐的问题，实现Creo环境配置、三维标注工具等快速可选安装。

       2.3 基于PDM系统的MBD模型检查

       设计所根据国家、行业、企业标准，为型号研制、标准化及管理部门人员提供了一套完整的基于MBD的三维模型检查工具，解决了当前手工状态下数字化模型规范化检查过程中工作量大、效率低的问题，并可快速准确地检查设计过程中形成的诸如图层、三维/二维关联性、工程图标注等不规范的数据，同时实现了动态配置审查集、自动进行检查的功能，有效提升了三维模型检查的工作效率，提高了型号研制的标准化和规范性程度，缩短了产品开发周期，提升了研发人员快速响应的设计能力，增强了型号产品的市场竞争能力。

       同时开展基于MBD的三维模型检查工具与PDM系统集成，实现了对三维模型数据（含工程图）的规范性检查，重点检查三维模型的完整性、有效性和规范性，根据模型检查报告显示的分析结果，能对错误项进行修改，对警示项确认并明确是否需要改进，同时可以在设计过程中多次执行模型检查，检查零件、工程图和装配是否符合标准及正确的MBD建模方法。PDM系统中针对模型检查需进行定制开发，将模型检查作为一个管理模块，可按照型号产品来进行PDM系统的模型检查，管理模块可定义在各个型号产品的实用程序页面中，PDM系统模型检查管理可根据检查规则进行设计数据完整性检查、更改数据完整性、转阶段更改数据完整性检查、重命名审核检查等详细管理模块定义。

       2.4 基于PDM系统的基础资源库及三维货架产品库

       基于PDM系统建立与下游工厂统一的基础资源库，对标准件、原材料进行统一管理，以物品编码作为唯一标识，基础资源库与各下游工厂的PDM系统集成，物品信息传递不再通过人工进行转换，各业务环节之间的信息传递得到显著的提升，保证了信息传递的准确性和一致性，提升了设计资源的选用效率，保证了基础资源管理选用的规范性和优选性。同时提高了物资的重用率，降低了物种维护、管理成本。为开展基于模型的设计制造一体化应用提供基础数据保障，提高设计质量、降低设计和制造成本。

       同时开展基于PDM系统的三维货架产品库建设，形成各类货架产品的产品规范、建立三维模型库，各产品设计时直接选用，提高三维模型的重用率，大大降低设计工作量、大幅提高设计效率、稳定设计质量、降低产品成本。

       2.5 基于MBD的数字化标准体系

       基于MBD技术的企业标准体系包括通用基础标准、数字化设计制造标准、协同设计标准等几个方面，核心是MBD数字化设计制造标准。由于MBD技术的规范不仅涉及到设计所这样的设计单位，还与下游工厂紧密相连，因此标准规范设计到标准化、总体、分系统、工艺和制造等各个专业。在设计所基于MBD技术的航天复杂产品全三维设计应用的过程中，根据自身特点和业务流程制定了相关设计规范和标准，通过梳理产品各类型三维模型，具体研究其尺寸和公差标注、剖视图生成、加工要求、特征视图创建与管理、组件等进行三维装配模型的标注技术和内容等，并充分借鉴航空航天领先单位的已有成果，分析消化吸收，协调下游工厂的工艺和制造部门，确定全三维设计到制造的技术方案，以及设计过程中各分类模板和各种三维标注规范，形成了13项MBD的院级标准《基于Creo的三维结构设计要求》，为基于MBD的全三维设计大范围应用奠定基础。

3 结论

       本文以MBD技术为切入点，阐述了航天复杂产品全三维设计应用实践过程。通过MBD技术变革传统产品设计模式，优化业务流程，形成了统一的管理模式和管理标准，紧密围绕产品研制，实现产品设计、工艺、制造及服务全过程的三维数字化协同，大幅提升了产品的设计能力，助力提升了研发效率和设计质量，支撑了湖北航天技术研究院总体设计所产品研制的顺利推进。

       参考文献

       [1] 范玉青.大型飞机数字化制造工程[M].北京:航空工业出版社,2011：31:305.
       [2] 梅中义.基于MBD的飞机数字化装配技术[J].航空制造技术.