基于MBD的飞机结构件设计和应用

随着MBD设计技术在波音787为代表的航空产品上成功应用，飞机设计领域已逐步抛弃二维设计，转而全面采用基于MBD的全三维数字化设计。航空企业普遍采用达索公司的CATIA设计软件进行飞机结构及系统的全三维数字化设计；以飞机典型结构设计为例，分析了采用MBD设计技术后，产品几何信息和非几何信息的表达方法，阐述了标准和规范在MBD设计中的重要作用。

【关键词】MBD CATIA 三维数字化 标准化

1 引言

从十九世纪中期发明蓝图以来，工程师们一直使用二维平面工程视图来表达产品并逐渐演变为第一代通用标准工程语言， 然而受制于纸制二维图表现力的限制，在从实物向抽象的二维视图表达方式浪费了设计师/工程师大量的精力去定义和识别，也不可避免的出现歧义和偏差，使得绘制和判读工程图成为需经严格专业训练的高度复杂的技术工作，随着计算机的广泛应用，借助计算机辅助设计技术，采用电子化二维方式表达越来越成为工程表达主要方式，逐渐成为第二代工程语言。随着数字化设计、制造技术的发展，基于全三维数字化模型的设计（即MBD）将成为第三代工程语言，当前新研飞机已全面采用基于MBD的产品设计技术，所有零部件的几何信息和非几何信息全部采用三维数字化设计技术表达。

MBD（Model Based Definition）是波音公司经过近10年的基础研究并在波音787飞机上全面推行的新一代产品定义方法。它用一个集成的三维数字化实体模型可完整的表达产品定义信息。即将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中，从而取消二维工程图，保证设计数据的唯一性。MBD不是简单的三维标注+三维模型，它不仅描述设计几何信息而且定义了三维产品几何信息和非几何的管理信息（产品结构、产品制造要求、BOM等等），使用人员仅需一个数模既可获取全部信息减少了对其他信息系统的过度依赖。

2 基于MBD的飞机结构信息表达方式

传统的二维设计图纸通过不同视图（如主视图、左右视图以及剖视图等）对产品结构进行表达，通过BOM表进行产品物料进行描述；而基于MBD的设计是采用全三维数字化的方式同时实现设计几何信息（尺寸及公差等）和非几何信息的管理。

当前国内外航空工业和汽车工业普遍采用达索公司的CATIA进行产品设计，特别是航空工业在波音公司的引领下几乎全部采用CATIA进行飞机产品的全三维数字化设计，同时也形成了较为接近的MBD表达形式和方法。飞机结构主要有零件（钣金件、机加件等）和装配件两大类型，其在CATIA中的表达内容不同但表达方式类似，均采用结构化的树形结构。

当前在使用CATIA进行飞机设计时普遍采用MBD结构树的方法实现对产品的全三维无纸化定义，MBD结构树主要包含建模参考元素、建模过程元素等设计人员使用的信息、零件/装配件的尺寸公差等几何信息以及管理要求等非几何信息。MBD结构需要按不同厂家的标准进行定制，结构树应借助设计工具完成以符合标准化要求，同时方便下游工艺设计人员和PDM系统可以借助软件工具进行MBD信息的提取。

2.1 零件MBD信息表达方法

典型零件的MBD结构树视图如图1所示。结构树中不同节点的含义如下：

（1）外部参考：模型中关联到其它父产品实例的几何元素；

（2）工程几何：对最基本并必需的建模元素的定义，是整个模型建立的基础，其中主要包括坐标系统与基准面两类；构造几何是组织建模中使用的辅助几何要素的几何图形集；

（3）构造几何：用来保存建模过程中的必需信息，即在外部参考信息与工程几何信息的基础上构建模型所需的中间几何数据。这些附加的特征属性须严格的命名、组织和关联，以便后续的用户易于使用；

（4）标注辅助几何：为了清晰表达标注信息，可根据需要建立辅助几何元素如点、线、面、基准面等，一般为空；

（5）模型属性：产品数据管理过程中必要的非几何信息，作为单独的几何图形集管理，以“参数”形式表达，不同企业可能会有不同的定义；

（6）对称信息：表达零件是否有对称件，以便简化设计等工作；

（7）更改说明：当模型发生更改时，用于填写更改说明内容；

（8）通用注释：对零件的一般描述和说明的几何图形集，一般应包括企业标识、知识产权、密级控制、生产控制、出口控制和模型注释等内容；

（9）零件注释：零件制造所需要的工程注释，主要包括表面粗糙度、未注公差、标印标记、制造工艺、检验方法等信息；

（10）材料注释：包含了相关的原材料或者制造产品所使用的半成品零件，通常用来定义采购原材料要求，主要包括材料名称、材料牌号、材料规范、毛料尺寸、允许替代材料等注释；

（11）旗注说明：模型中旗注的详细说明，旗注仅适用于表达模型的局部区域的特殊制造要求等；

（12）热表处理注释：表达热处理、表面处理、表面防护等要求的注释：

（13）连接定义：用于表达零件最终安装时制孔的位置和对应的紧固件，工艺人员可以用来申请导孔等工艺要求。

（14）标注集：对于进行了尺寸及公差标注的零件，CATIA自动创建的节点，其包含各种标注信息。

不管是机加件还是钣金件，金属零件的MBD结构树都是一样的，只是针对不同类型的零件填寫不同的属性和要求，没有对应的信息则空置。

3 装配件MBD信息表达方法

装配件与零件因承担的功能不同，因此其MBD结构树与零件有着较大区别。典型的装配件MBD结构树视图如上图2所示。结构树中与零件MBD树相同的节点功能是用一样的，但针对装配件所需的要求不同增加了密封、加垫以及紧固件安装定义等装配所需的节点，装配件专有的节点含义如下：

（1）密封定义：表示零组件的密封区域及使用的密封规范：

（2）加垫定义：飞机装配协调常用的一种消除结构间隙的方法，在MBD结构树中按需要进行描述；

（3）胶接定义：用于描述装配件的胶接要求，如胶结区域、胶结顺序、胶结材料等；

（4）焊接定义：用于描述装配件的焊接要求，如焊接区域、焊接顺序、焊接材料等；

（5）润滑定义：用于描述零件的润滑要求，如润滑区域、润滑顺序、润滑材料等；

（6）喷漆定义：用于描述零件的喷漆要求，如喷漆区域、喷漆顺序、喷漆材料等；

（7）其他：以上定义中仍不能清晰表示设计意图，可以在“其它”几何图形集中进行定义，表达方式由设计员自行决定；

（8）紧固件安装定义：由于大型飞机上的紧固件数量及其庞大，如果全部采用实体模型（实例化）将会产生天量的数据，因此包括波音公司在内的飞机制造商目前均采用简化表达的方式进行紧固件的定义；故当紧固件没有在装配结构树中实例化定义时，在装配信息模型（R模型）中就要通过直线和空心圆等方式来简化表达；

（9）紧固件：紧固件安装定义完成后，通过紧固件发布命令由紧固件系统自动生成最终的紧固件信息，系统自动将安装定义好的紧固件归类，并在“紧固件”几何图形集下收录所有该型号紧固件定义的相关数据。

装配件的MBD内容相对于零件来说有着更多的内容和更大的信息量，但不管是零件MBD结构树还是装配件的MBD结构树，都应该从各自企业的实际情况出发进行标准化的定义，以利于数据的管理和现场应用。

4 基于MBD的飞机典型结构件定义

飞机结构中典型结构主要有机加件、钣金件和由各类零组件构成的装配件。飞机设计一个重要特点是先要有飞机全机理论外形和飞机框位、长桁、开口、重要交点等顶层协调元素，不同设计人员均以全机坐标系和协调元素为设计基准完成各自的设计内容，如图3所示。以下就典型基于MBD的钣金件和装配件定义方法简单阐述。

4.1 飞机钣金件的MBD信息定义

飞机结构中大部分零件都是比较薄的钣金类零件，与一般机械产品不同，飞机上的钣金件大都与飞机外形有关，因此其建模时有些参数是由飞机理论外形驱动的，CATIA软件有专门的航空钣金设计模块（Aerospace Sheet Metal Design）以解决飞机和汽车工业中需要曲面驱动的钣金结构设计。如图4为CATIA的航空钣金设计模块和典型的飞机钣金肋零件。

在航空钣金设计模块中设置钣金厚度等基础参数，然后用相关命令创建翻边、减轻孔、加强窝以及下陷等特征。钣金实体模型创建完毕后，按照零件所承担的功能在MBD结构树上进行零件属性等非几何信息的添加，如材料、加工要求、工艺规范等等，此过程应借助企业定制开发的设计数据库完成，以便保证数据的完整性和准确性，当然对于较为简单的机械产品也可以采用手工输入的方式进行，如图5所示某飞机零件的MBD信息表达内容。

其次进行零件公差等制造要求的定义，进入零件公差标注模块对零件有特别要求的关键要素进行三维标注，如形位公差、粗糙度等几何信息；如果公差等信息多则需要借助CATIA中视图捕获功能进行分类显示。如图6、图7所示。

4.2 飞机襟翼肋组合件装配设计

飞机结构装配件设计首先进行所需零件或下一级组件的组合，然后进行紧固件定义、密封定义等装配信息的输入，目前各航空制造企业均是在CATIA中对紧固件定义等要求采用了新建虚拟件的方式进行，此模型没有实体，一般命名为R模型，用R模型来表达此装配件的装配要求。如图8所示。

打开R模型，借助事先开发的工具对MBD结构树进行参数定义，填写模型属性（这里是本装配件的属性，与零件MBD树中的模型属性不同），如图9所示；然后借助定制开发的紧固件设计模块在R模型中进行紧固件定义，如图10所示。

飞机上一般管路等系统紧固件因数量少而采用实体模型，但目前大型飞机结构装配件紧固件因数量都在50万件以上，为了减轻数据存储量，结构标准件表达不得不采用点、线的方式，而包括CATIA在内的设计软件均没有标准化的模块实现此类轻量化的紧固件设计，故需要专门开发紧固件辅助设计模块以保证后续统计、采购等的准确和完整；此前在某大型飞机设计时采用了手工建紧固件模型的方式，在后期生产过程中导致了严重的数量统计问题。然而轻量化的紧固件表达方法也有一些问题，如不利于编制路线分工、不能直接观察干涉问题等。但随着计算机性能的进步，飞机紧固件全面采用实体模型表達是发展的必然方向。

最后，如果需要表达不同零件某些特征之间的约束关系等，可以进入装配件公差设计模块进行相关要求的定义，此功能与零件公差标注等类似。

5 结束语

近几年国内外新研飞机均采用了基于MBD的全三维无纸化设计，其在缩短研制周期和提高设计质量方面取得了极其明显的作用，如国内某大型运输机全面采用基于MBD的三维数字化设计后，原来同类飞机设计周期约10年大幅度减少到3年左右，当初认为没有二维图纸会在推行过程中会遇到的重重阻力，在经过实际应用后反而成为动力，不管是设计人员、工艺人员还是一线操作人员都感受到了极大的便利。不过在应用过程中也发现了一些问题，如标准化工作不充分导致产品数据管理需要很多人工干预、管理流程不适应基于MBD的三维数字化设计的要求等，这些都需要对设计及制造信息的标准化等工作深入研究。

参考文献

[1]范玉清. 现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]冯潼能.MBD 技术在协同设计制造中的应用[J].航空制造技术，2010（18）：126-127.

[3]曲直.MBD 技术在飞机设计中的应用[J].航空制造技术，2013（13）：103-106.

作者单位

中航通飞华南飞机工业有限公司 广东省珠海市 519040

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