參數機制方法在工程型號中的實際運用

翁晨濤 崔衛軍 廉 偉 張元卿 何 瑞 柯志強 ∕

(上海飛機設計研究院，上海201210)

參數機制方法在工程型號中的實際運用

翁晨濤 崔衛軍 廉 偉 張元卿 何 瑞 柯志強 ∕

(上海飛機設計研究院，上海201210)

立足于飛機結構大部段，系統提出一種建模的參數機制方法。總結了當前基于參數化設計方法中的一些典型邏輯思路。通過對基本原理和規律進行析和對比，結合計算機三維建模的相關知識以及實際工作中反復的實踐，建立了一套針對國產飛機的三維建模方法。該方法立足于成熟的商用平臺CATIA，魯棒性高、操作性強，填補了國產飛機設計階段建模方法的空白，提高了飛機設計研發效率，通過實際運用，論證了該方法的可行性和實用性。

國產民機；研制階段；三維設計；參數機制；建模方法

0 引言

飛機結構設計向上承接了總體性能要求，向下直接連接實際的零件制造，通過三維模型描述設計方案是當下飛機結構設計的主流方式。

常規的三維建模分為“基于CAD/CAE平臺”和“脫離CAD/CAE平臺”兩種方法，其中，脫離CAD/CAE平臺開發出來的參數化建模程序只適用于廣泛的學術研究優化問題，難以用于特定的工程實踐。而單純運用一款通用的商業建模平臺，設計具有中國工業特色的大部段、長周期產品，結構設計從零起步，必須建立一套可行并高效的建模機制，在確保產品質量符合預定要求的前提下，盡早發布設計成果，搶占產品市場。

以作者參與的某民機壁板設計為例，提出了一種立足于CATIA的參數機制的高效建模方法。基于CAD、CAE平臺(CATIA)的結構相關設計團隊提出了許多構想，宗旨就是提高建模效率、縮短迭代時間，將三維數模自動建立及更新交給系統自動完成[1]，基于上述需求，研究了民用飛機的自動建模方式，其中以下3種方案已經得到具體的實施：1)系統通過第三方平臺進行集成；2)在CAE平臺上實現集成；3)在CAD平臺上實現集成。

1 基于CATIA的參數機制方法對比

1.1 通過第三方平臺進行集成——CAA

CAA是典型的通過第三方平臺進行集成的方法，是目前基于CATIA設計最完善的開發平臺。但其軟件授權非常昂貴。且運用CAA必須要熟練運用C++中級及以上程序編譯能力，并掌握數據庫的管理基礎。這是限制CAA普遍推廣的主要原因。

1.2 在CAE平臺上實現集成——知識工程

知識工程作為CAE的平臺，可以將不同專家的豐富經驗融入到每一個相關設計過程中。但在平臺建立完成之前知識積累和驗證過程周期較長，因此知識工程很少在設計初期得到運用。

1.3 集成在CAD平臺上——CATIA的參數化方法

本文提出一種僅基于CAD操作平臺的參數機制建模方法。此方法在單個設計員工作能力范圍內能實現操作閉環，無需再借助其他操作平臺。基于該方法，提出一種基于參數機制的特征造型和尺寸驅動的設計概念,極大地方便了模型的設計和修改,顯著提高產品設計的效率和質量。

2 基于CATIA的參數化建模方法

本文提出了一種基于CATIA的參數化建模方法(以下簡稱“C方法”)，“C方法”功能是將隱式的設計操作轉化為嵌入整個設計過程的顯示設計，也就是設計過程中各種邏輯關系的外化過程。一個參數化模型的建立過程實際上也就是對結構設計中各方面影響條件的邏輯進行梳理并在計算機中重構的過程[2]，將邏輯關系與設計思路外化并提煉能夠有效提高建模效率、利于梳理建模脈絡。具體實現步驟如下：1)設計者通過定義特征、公式與規則；2)產生參數、方程、設計表格等關聯對象；3)用戶定義規則或限制條件，建立和規定各元素之間的關系，程序將自動檢索和計算參數；4)基于已經構建的參數驅動、更新對應構型的三維數模。

該方法有以下優點：1)研制周期的縮短；2)強大的參數定義、管理、關聯能力;3)全面的數模語義表達。

3 “C方法”的具體實施步驟

3.1 參數的建立

參數化設計對象的幾何拓撲特征定型后，參數與設計對象的控制尺寸有顯式對應關系，因此設計結果的修改可由參數驅動。CATIA商業通用建模方法之所以耗時較長，原因在于該平臺用戶需求面太廣，為保證各個模塊間數據相互兼容，設計參數必須掛靠相應的操作步驟，造成設計參數的離散、隱蔽，無法統籌規劃，因此無法實現統一管理并使用特征參數，如圖1、圖2所示。

而參數化建模方法的邏輯基礎就是有針對性地將參數全局管理，統一規劃，所有使用到的參數在參數池存在一一映射，使用的參數全部從參數池中流出，利于追根溯源、整體規劃，即避免了相同類別參數的重復構建，同時給予了不同零組件關聯參數的聲明空間，解決了關聯參數在子體裝配件內無法定義的問題，如圖3所示。

3.2 參數的賦值

參數構建完畢后實現參數的自動賦值。一根長桁的關鍵參數量級為“百”，如果設計員將參數通過傳統的手動方法錄入零件結構樹，容易發生錯誤，這與上文提及的參數化機制的邏輯相悖，而參數化的優勢也就無法得到實現。以壁板長桁為例，具體介紹“C方法”實施流程中的第1至第3步(第4步“參數的模型驅動”將在3.3節具體展開)。

長桁的特征參數有：上、下緣條厚度(T1，T3)，腹板厚度(T2)等6個參數，如圖4所示。在CATIA中創建參數的具體方法是通過軟件接口的“參數”功能，使用“命令公式”，建立一組參數值，再通過EXCEL的“設計表”方法能夠有效實現參數的自動捕捉。“設計表”是CATIA基于參數化方法的一項預開發功能，它立足于在零件中已存在的參數，通過外部接口(EXCEL表格)，完成已存在參數的自動賦值工作，如圖5、圖6所示。在建立模型之前，需要設計員按工藝經驗對模型的建立方式進行預判，將可重復利用的特征參數輸入模型并構建特征樹，

特征樹代表了建模過程中的操作序列，建模過程的任何操作連同與它關聯的數據都將被記錄在操作棧中，在后續的參數驅動中，將通過新的建模方法高效地運用之前導入的參數，如圖7所示。

3.3 參數的驅動

在零件建模過程中，草圖作為最直觀的表現形式在傳統建模方法體系中得到長期的運用，邏輯上是一種典型的基于草圖的“自下而上”的建模方法。但是自下而上的設計方法操作步驟繁瑣,任何操作都必須將3維的設計思路投影至2維的平面，再通過材料堆積實現3維模型的定型，操作過程曲折、不直觀，與當下高效率的制造業背景產生了明顯的沖突，如圖8所示。

為提高效率、實現參數機制的運用，將“二維”草圖在“三維”曲面上合并，建立“減材料”的三維界面，使用“減材料”界面將零件外形從零件毛料中“切割”出來的一種“幾何特征切割法”，如圖9～圖11所示。

這樣創建的模型既有幾何信息又有非幾何信息(特征兼含語義和形狀兩部分)，建模過程不但表達了零件的特征參數，同時也落實了零件的實際機加的操作過程，該模型因此可以作為刀具排布、加工步驟等非幾何信息的載體，使得在產品設計中考慮并表達出制造要求(數控或普通機床)、加工工藝(陽膜或陰膜)、操作信息(刀具、退刀路線如圖10所示)，保證產品結構更易被各個不同生產條件的制造子公司理解并方便工藝投產，實際工作中，該方法具有很好的工藝反饋。

4 “C方法”的工程運用優勢

4.1 提高協調區域的更新效率

“C方法”不僅能提高封閉環節設計員的建模能力，更能在開環團隊工作中大大提高協調效率。

以協調壁板與翼肋的搭接凸臺為例，由于各個翼肋所實現的功能不同，對連接長桁的搭接凸臺要求也不同，這就要求壁板設計員對每個長桁的每個搭接凸臺進行編輯修改。工程實際中每完成一次迭代后的修改，消耗的人力時間需要6個小時。如圖12所示。

采用“C方法”后，協調壁板與翼肋的搭接界面，凸臺的寬度、長度等參數采用參數化方法錄入對應的數據池內，更改后使用參數驅動三維數模就能實現自動更新，完成一次迭代數模更新只需20min。針對壁板而言，協調工作中耗時最多的是更改組件間的連接模塊，實際工作中就是緊固件的編排設計。單塊壁板緊固件數量級上“萬”，緊固件的排布通過手動協調，工作效率非常低。采用參數化方法，在參數池中全局規劃每種規格緊固件的大小、設計邊距、排距等參數，在連接處給出裝配件相關的協調參數，計劃出緊固件排布最佳路徑。通過參數化排布的緊固件，驅動緊固件設計參數就能更新壁板的連接模塊，極大提高了工作效率。

4.2 避免了裝配件間信息不足導致的裝配應力

裝配組件在設計過程中必須考慮零件組裝過程中的非設計要求的裝配應力，因此設計過程中將控制零件在兩兩貼合面上的裝配界面，盡可能避免出現非設計要求的預應力裝配結果。

壁板蒙皮由于設計要求，在部分區域(如集中載荷加載區域)存在較大厚度變化，造成該區域沿展向曲率變化劇烈，如圖13所示。與壁板貼合的組件——壁板長桁下緣條的設計過程中，蒙皮的大曲率變化將通過蒙皮內型面，傳遞到長桁與蒙皮的貼合表面。但在下緣條與蒙皮的貼合面，該面的設計輸入元素中， 長桁與蒙皮貼合的下緣條厚度設計是通過在設計站位上控制長桁參數實現的，出于對長桁支撐件翼肋設計的考慮，選定相鄰肋站位作為長桁的設計站位。長桁下緣條的厚度在設計站位處(肋站位)得到嚴格控制，但在兩個相鄰設計站位之間(相鄰肋距)，如果出現與蒙皮貼合的下緣條厚度面的曲率變化與蒙皮曲率變化沖突(曲率差較大或者曲率相反處)，將導致長桁下緣條厚度偏離設計參數(兩者曲率相近則厚度接近設計參數，曲率偏離越大厚度偏離設計參數越大)。如圖14所示。

如果設計站位間蒙皮出現厚度的劇烈變化無法體現在長桁的設計過程中，而通過增加長桁厚度設計站位捕捉蒙皮厚度的局部突變，將大大增加控制參數及操作步驟，操作繁瑣重復效率低下。如果將蒙皮的厚度變化參數化，通過厚度趨勢計算出相應的曲率并作為上游控制參數，輸入到下游與之貼合的長桁下緣條厚度面的控制過程中，在不增加任何建模工序的情況下，將1階的長桁下緣條厚度設計提升至2階，捕捉了站位間裝配界面局部突變，大大提高建模精度。

以上壁板為例，蒙皮當地曲率與長桁下緣條厚度面當地曲率相差較大，峰值處曲率相差近8倍，在2個相鄰翼肋站位面之間，當曲率變化劇烈處(尤其是兩者曲率逆反處)，長桁下緣條厚度未捕捉裝配件蒙皮的厚度變化，導致長桁下緣條厚度偏離理論-5%，完全偏離了設計要求。如圖15所示。

為保證裝配界面兩側零件間的貼合關系，以長桁站位面上的蒙皮內型面當地交線作為基準，將蒙皮曲率變化作為長桁下緣條厚度的輸入參數，下緣條的曲率變化趨勢與蒙皮當地曲率一致，曲率最大幅度差僅1%，長桁下緣條厚度與理論厚度一致，滿足長桁下緣條的設計要求。如圖16所示。

5 結論

采用“C方法”建立數模可行高效，而更新數模只需更改三維數模對應特征參數所在的數據池(EXCEL表格)，CATIA在關聯的數據池中偵測到參數的變化后會自動詢問設計員是否進行更新。實際工作中，壁板中僅一個零件進行一次自動更新的時間不超過3個小時，與之前消耗2～3個工作日的常規設計方法相比，“C方法”大大縮短了設計研發的迭代周期。如圖17所示。

基于參數機制的“C方法”驅動參數建立、更新機翼壁板、整體梁等大部段的三維數模，大大提高了零件的設計效率，節省了非常寶貴的研制時間，保證了產品的投產交付節點，提高了長周期產品的市場競爭力。究其原因，主要有以下幾個方面。

1)提高了模型的強壯性

因為先進行零件尺寸“集中表達”，然后進行具體的CATIA三維成形,零件尺寸表達獨立于具體的CATIA三維成形過程，零件尺寸表達清晰，易于管理和更新，提高了模型的強壯性。

2)提供裝配件關聯參數的定義空間，解決了母體參數無法在子體內定義的困局

相對原方法是將零件的形狀、定位尺寸分散到零件建模過程中，每個裝配子體內僅能表達單個子件的參數信息，對于裝配件之間的關聯參數缺乏有效的定義空間。現采用將零件尺寸集中表達與具體的CATIA三維成形過程分離的方法，使關聯參數在參數池中獲得高于子體參數的明確定義。高于子體的參數定義可在裝配件之間傳遞關聯參數，實現關聯參數的傳遞，有效避免由于非參數化裝配界面的信息不全，構造出不符合設計意圖的三維數模。

3)提升三維數模的建模、檢驗效率

零件尺寸間的協調關系清晰、完整，最大限度地避免了尺寸封閉和重復尺寸標注造成的不協調問題,因此模型出錯的概率更低。有利于在建模初期建立一個健壯、穩固的模型基礎,避免因未理解圖紙,后期發現前期零件表達錯誤,需要重大返工甚至重新建模的不利后果。原來的校對方法是進入建模過程中尋找需要校對的尺寸，依序校對,效率較低。采用參數化建模的校對方法與零件成形過程無關,只需校對參數表對應參數就可以有效的明確所使用的參數是否滿足設計要求。

4)擴展了建模過程的表達語義

傳統建模的自下而上的材料堆積方法，不利于后期加工工藝的分解，加大了工藝的理解轉化圖紙的工作及錯誤的概率。參數化方法的建模過程一改傳統的堆積方法，通過與加工工藝一致的“減材料”表達方式，不但利于直觀地體現參數的作用方式，傳遞了參數對應的形狀信息，更明確表達了加工工藝的操作區域及操作方法，拓展了建模過程表達的語義，使得三維數模表達的信息更加全面。

5)完善了裝配件間裝配信息

傳統建模方法傳遞裝配件間關聯信息為1階離散信息，對于裝配界面在三維空間上變化劇烈的區域，相對突變區域較寬的采樣控制站位將無法捕捉必要的參數信息，較低的模態造成的誤差將遮蓋必要的高階信息。參數化建模方法通過對裝配件參數的分析及必要的擬合，不增加建模過程步驟的情況下，將1階的離散信息提高至2階，在工程應用中大大提高了裝配界面的設計精度，完善了必要裝配信息的傳遞。

本文提出的“C”方法快捷有效，在型號定型階段，該方法可以大大縮短設計周期。后期工作中，將運用該方法的成果建立一套成熟的工程開發軟件，為其他工程技術人員提供更高效的設計平臺。

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[3] 樊海東，李夢韜.復雜零件CATIA快速和規范建模法研究[J].中國制造業信息化，2009，38(7):2-3.

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Engineering Application of Parameterized Design Method in Domestic Aircraft Project

WENG Chentao CUI Weijun LIAN Wei ZHANG Yuanqing HE Rui KE Zhiqiang

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

A systematized design method based on parameterized method was established. This paper attempts to sum up the newest geometry logic control methods based on parametric technology in aircraft design and find some general principles and rules implied in these methods combining computer graphics theories. The high efficiency and controlled mechanism had been confirmed under fierce competition. This paper will help to enhance a fuller understanding of domestic aircraft design parameterized method by using CATIA, a commercial software. High robustness and good operability are its characteristics. By using parameterized method, design and producing process had been connected. The capability to enhance industry batch production in the domestic aircraft development stage had been proved by using this method. At last, the research work, having a broad engineering application, was prospected.

domestic aircraft; developmental stage; 3D design; parameterized design method; modeling integration

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.018

V22

A