發動機設計特征庫的開發與應用研究

葛玉姣　楊寧　郭桃紅

【摘 要】立足航空發動機行業當前MBD技術應用水平，結合新一代發動機協同研制需求及數字化技術發展應用趨勢，開展基于MBD技術航空發動機設計特征庫的研究，對特征庫體系架構構建原則、特征模型創建方法及特征標注形式進行定義，為建立適合我國的發動機MBD技術應用體系提供支持。

【關鍵詞】設計特征；MBD技術；通用結構特征；典型結構特征

1 現狀

目前航空發動機行業廣泛應用NX進行發動機產品零部件設計，特征建模技術已經得到了普遍的應用，使設計的效率大大提高。但是，其特征機制在滿足用戶部分要求的同時，卻顯示出一些不足，主要表現為缺乏更好的建立和使用復雜特征的方法。雖然可以采用參數化設計等方式，通過幾個參數的改變實現不同的零件設計的目的，但由于零件的建立過程中特征歷程樹的自由性（如特征可以重新排序等），造成構建的特征歷程與其生成的特征間的相互依賴性很強，使設計變得更為復雜。

隨著MBD技術在航空發動機行業的應用，目前已形成了相應的信息標識標準，但是目前MBD技術在發動機復雜結構件上的應用仍存在眾多問題，由于零件復雜、標注尺寸過多，導致MBD模型在可讀性、易識別性和美觀性等方面面臨著眾多問題，由零件復雜、標注尺寸過多等引起的“刺猬圖”現象已成為制約MBD技術有效應用的因素。

2 設計特征庫的實施及意義

為了減少發動機設計過程的重復建模，設計歷程中特征的相互依賴性，以及MBD模型標注的復雜性，采用用戶定制的復雜特征以及采用代號標印標注來簡化這些工作：不再強迫設計人員遵循某一特定的設計格式，而是將簡單特征綜合起來成為功能全面，意義更完整的復合特征。這樣，在該復合特征中預先設定變化的參數及定位信息，使復雜的特征彼此間有更好的對立性，利用已有的復雜特征，既不必進行大量的重復工作，又容易修改維護。從而提高工作效率，以便實施快速設計；采用代號標印的方式進行MBD模型定義，用一個代號標印代替一組標注信息，標注在模型特征上，簡化了標注內容。

通過基于MBD技術的數字化定義資源和方法研究，結合基于MBD的設計特征系列標準，構建規范化的發動機設計特征數據庫，突破面向制造的零組件三維標注與模型查看等關鍵技術，進行重點型號產品研制的應用驗證，滿足發動機產品數字化定義研制需求，提高發動機產品設計效率，縮短研制周期，提升產品研制的標準化、規范化水平。為三維數字化設計技術在發動機制造行業的相關應用提供示范，全面提升航空發動機行業的核心競爭力。

3 需求概述

發動機設計特征庫軟件應滿足設計人員基于MBD的數字化研制需求，基于MBD的設計特征系列標準進行開發，應滿足如下功能：

（1）便于檢索和調用的界面，并能方便快捷的完成特征的調用；

（2）常用參數的選擇功能，對于有些特征可以直接選擇常用的參數，不需要重復輸入；

（3）編輯特征的功能，方便調整特征參數和定位信息；

（4）在特征創建后，能自動為特征生成與模板中標注一致的PMI信息，并將PMI信息自動分配到相應的預定義模型視圖中；

（5）簡化標注信息，采用代號標印替代一組標注信息；

（6）系統基于Teamcenter和NX平臺，實現數據共享、保證數據的一致性和有效性；

（7）系統具有可靠的穩定性。

4 設計特征庫構建

4.1 構建思路

依據單一數據源的設計和管理思想，基于特征庫“全局性考慮、規范性構建、權威性驗證和安全性訪問”的構建原則，借鑒航空企業數據庫的建設經驗，按照標準化建庫方法，發動機設計特征庫的建設方案如圖1所示：包括設計特征庫體系架構的構建、設計特征庫通用要求及相關指導標準編制、發動機設計特征庫構建、系統集成應用與驗證、設計特征系統部署應用、設計特征庫系統維護等工作。

4.2 設計特征庫體系架構的搭建

設計特征庫的體系結構可以分為3層，如圖2所示，分別為支撐層、功能層和用戶界面層。

支撐層主要為通過Teamcenter服務器，提供對特征數據管理、存儲的最基本功能。

功能層是根據系統的管理目標，提供相應的功能模塊，特征調用、特征編輯、特征標注、特征管理和更新模板。

界面層：提供交互式的人機界面，使設計方便的應用特征庫。

4.3 設計特征庫通用要求及相關標準編制

針對航空產品的研制管理模式，基于“健全標準”原則，編制《基于模型的定義 通用結構特征》、《基于模型的定義 典型零件結構特征》和《基于模型的定義 結構特征庫通用要求》三項標準，用以指導、規范發動機設計特征庫的構建。

標準中對通用結構特征和典型零件結構特征的分類層次進行要求，對特征結構形式、標識、模型參數和標記示例等進行規范，提出設計特征庫的構建和應用要求，為發動機設計特征庫的建設和實施提供標準支持和規范。

4.4 設計特征庫特征建立

4.4.1 特征庫類層次結構

設計特征庫包括通用結構特征庫和典型零件結構特征庫，其中，通用結構特征庫的分類層次結構見圖3，典型零件結構特征庫的分類層次結構見圖4。

4.4.2 特征參數表

特征參數表變量的命名應采用英文字母、阿拉伯數字和下劃線“_”的組合，且第一位只能是英文字母。參數表結構主要記錄特征標識、幾何參數和特征定位等信息，見表1。

4.4.3 基于UDF的特征構建

在NX環境下，采用UDF模塊定義通用、典型特征。本文以漸開線圓柱直齒輪特征的構建為例進行具體介紹。

表1 特征庫表結構示例

1）參數化建模

在NX的環境下，采用參數化建模的方式建立漸開線圓柱直齒輪。模型分為漸開線輪廓齒、齒輪圓柱體、輻板和減重孔四部分，其中輻板和減重孔為可選特征，在建模過程中采用“表達式抑制”實現特征的抑制特性。模型如圖5所示。

2）用戶自定義特征

選擇NX工具條“用戶自定義特征”，啟動向導，進入UDF定義界面。

（1）定義特征名稱

在“用戶定義特征向導”界面，指定特征名稱、部件名為“zhichilun”，如圖6所示。

（2）添加UDF模型特征

將齒輪參數化建模中的特征（除參考特征外）添加到UDF模型中，作為UDF模型特征，并勾選“允許特征爆炸”，如圖7所示。

（3）定義可編輯表達式

在“用戶定義特征向導”的表達式界面中，根據齒輪參數化建模表達式選擇UDF模型可編輯表達式，即設計人員在創建特征時需要編輯的參數，并確定表達式規則，如圖8所示。

在調用UDF時，需要確定特征創建時的參考，在導向框中，NX將顯示出所有特征創建的必要參考。

導向框中為齒輪參數化建模中創建預先定義的偏置坐標系“CSYS”，如圖9所示。

（5）確定UDF模型

確認UDF模型定義是否正確，如有錯誤，返回“上一步”進行修改，否則選擇“完成”。

系統默認創建的UDF模板存放在NX7.5＼UGII文件夾，將模版文件轉移至“模板匯總”對應文件夾中。

4.5 系統集成應用與驗證

發動機設計特征庫系統實施過程中，應選取發動機數字化設計的典型結構進行工程應用驗證，根據實際應用中的問題及時協調。對數據庫進行補充和完善使其達到工程化應用的水平。

4.6 設計特征庫系統部署應用

軟件服務器端和PDM緊密集成，部署在同一臺服務器上。客戶端部署在各設計部門的PC機，要求具備NX7.5和TC8.3軟件運行環境。

設計人員可通過安裝設計特征庫軟件，實現發動機產品數字化輔助設計。選擇或檢索特征，確定需要調用的特征模型，輸入尺寸參數及定位信息完成對特征的編輯，根據特征模板和數據文件為特征自動添加PMI信息，包括：尺寸標注、形位公差標注、注釋、表面粗糙度等PMI信息，同時可采用簡化標注功能提高MBD模型可讀性、易識別性。

4.7 設計特征庫系統維護

4.7.1 特征庫模板管理

特征庫具有可擴展性，通過“特征管理”模塊實現對特征模板的創建、刪除、編輯及分類特征模板，滿足設計對特征庫模板不斷擴充、完善的需求，特征模板管理界面如圖10所示。

4.7.2 數據導入

管理員需要將特征模板數據導入到TC中，以保證特征庫客戶端可以獲取。

5 前景與展望

隨著經濟全球化、信息一體化的快速發展，尤其是MBD技術深化應用，基于模型定義（MBD）的數字化設計與制造技術已經成為制造業信息化的發展趨勢。設計特征庫與我所研發平臺緊密集成，將會在我所承研的所有型號發動機數字化設計過程中取得應用，有效提高設計質量和研發效率。

基于發動機設計特征庫強大的擴展性和繼續定制開發的能力，成熟的應用框架和前后端擴展開發能力，可以在未來滿足以模型文件為核心的數據管理的更多、更高需求。通過對系統的不斷完善以及應用框架不斷開發，可以實現規范化零件庫的構建。為航空發動機型號設計提供便捷的資源平臺，為航空產品的設計提供標準規范的基礎支撐，為三維數字化設計技術在發動機制造行業的相關應用提供示范，全面提升航空發動機行業的核心競爭力。

[責任編輯：湯靜]