基于MBD的機車關聯設計方法研究

張信廣，王宗民，李浩杰，張雪剛

中車青島四方機車車輛股份有限公司

基于MBD的機車關聯設計方法研究

張信廣，王宗民，李浩杰，張雪剛

中車青島四方機車車輛股份有限公司

圍繞目前機車設計中的效率低，更改繁瑣等問題，本文研究了MBD技術原理，基于MBD技術研究了關聯設計的原理，分析了關聯設計中的骨架模型的定義，給出了基于MBD的機車關聯設計過程，為機車的關聯設計提供了技術指導，可有效的提高產品的設計效率。

MBD；關聯設計；骨架模型；設計過程

隨著社會經濟的不斷發展，機車產品的種類不斷增多，為人們的日常生產、生活活動提供了諸多便利。就目前來說，新型機車產品不斷涌現，但是由于大部分機車產品的工藝復雜，對工程技術的要求較高，而且設計要求復雜，涉及多個學科的交叉，導致整個機床配件的匹配相對繁雜。為了提高機床的設計效率，目前大部分企業多采用三維設計技術，但是我們不得不注意到，該種設計技術條件下，機床的外形與結構以及系統之間是相互影響的、相互依賴的，稍有不慎，就會影響機床的整體性能。近年來，國內外學者也致力于該方面的研究，力求通過數字化的設計技術來更好地控制并傳遞三者之間的這種相互影響、相互依賴的關系，使得機車設計過程中的更新、迭代效率更高。但是，到目前為止，該方面的研究成效并不是十分顯著。

關聯設計是產品研制中通過建立模型之間的關聯關系如零件之間、結構之間、自由度、運動約束等實現產品設計機理-尺寸驅動關聯、幾何驅動關聯、邏輯關聯等，通過這些關聯更改其他的相關更改，從而使得機床設計更改更快，提高機床整體性能。

過去，由于技術條件等方面的限制，產品的定義多是用紙質版的二維工程圖來表示。而隨著數字化技術的不斷進步，該種表示方式已經日漸落后，各類產品都要求利用專業的繪圖形式來清晰表達其結構及相關的制造要求。計算機輔助技術的出現及應用恰好適應了此點，很多航空產品已經采用了三維數字建模的形式。但是，需要注意的是，在實際的應用過程中，這些產品的三維數字信息也要轉化為二維圖紙，這個過程耗時、耗費人力，加之由于轉化過程中各種限制性因素的存在，轉化過程中很容易出現理解偏差。例如，為了保持其行業領頭羊地位，波音公司的設計部門率先全面推進三維數字化的定義技術，該種技術就是所謂的基于模型的定義技術（Model Based Definition，簡稱MBD）技術，該技術為企業的發展帶來了巨大的機遇[1]。之后，該技術在各國的產品生產與設計過程中得到了廣泛的應用。

本文研究MBD技術在機車關聯設計中的應用，研究MBD模式下產品信息表達、骨架模型定義、如何進行基于MBD的產品關聯設計等，為未來機車的快速設計提供指導。

1.MBD的概念與表達

正如上文中所提到的，MBD技術是一種基于模型的定義技術，是指用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法。該技術應用的主要原則就是將原來那些用二維圖紙所表達的產品的幾何結構信息、產品屬性信息等，都集中于一個三維的數字化模型中。該技術的應用徹底顛覆了過去用二維圖紙來定義產品信息的方法，在三維數字化模型的技術基礎上，將產品工藝、制造、裝配等各項工作有機融合在一起，使得產品設計、生產、制造以及后期維護工作更好地融合在一起，使得產品生產到應用過程中信息更為準確，也更為迅速，這樣原來的三維模型與二維圖紙之間存在的偏差也逐漸減小，產片的研制周期進一步壓縮，生產效率提高[2]。

最早來說，波音公司開始大范圍推廣使用MBD計算，并將其787項目產品的研制周期縮短了百分之三十左右，研制效率的提高使得企業的利潤增加。同時，波音公司的研究者發現，MBD技術的應用有效地避免了傳統二維圖紙信息表達不準確的弊端，使得產品的研發成本也大大降低。自此之后，一些其他的公司也開始學習應用MBD技術，將三維標準的模型作為產品生產的唯一數據源，保證產品生產信息的準確性[3]。

一個完整的MBD數據集是由如下幾個部分構成的：設計模型、標注和屬性，具體來說如圖1所示。

圖1 CATIA環境下MBD數據集的表達方式

第一部分，設計模型。設計模型是MBD數據集中最復雜的部分，由外部參考、構造幾何、工程幾何和零件幾何體構成。其中外部參考可以關聯到產品其他的幾何元素（模型間關聯關系的有效載體），這些元素驅動著產品的表面或者實體模型元素的定義。工程幾何則是整個MBD建模的基礎支撐，包括坐標系統等。構造幾何主要是用來保存產品三維建模過程中的各種必要信息，是在產品外部參考信息與工程幾何的基礎上所需要的各種幾何數據，這并不是為了描述產品的制造工藝的。零件幾何則是用來描述產品的實體形狀的，其中包含產品的一系列的生成特征。

第二部分，標注包括尺寸、基準、公差、粗糙度、文本信息和工程注釋信息。除了工程注釋信息，其他信息都可以在三維數字模型上表示出來。而工程注釋信息則是用來表達二維圖紙中的明細表、技術要求等，是由一些特定的幾何圖形集組成的，包括零件注釋、材料注釋、各種審簽信息等。當然，對于部分裝配件模型來說，工程注釋還會涉及到產品機械連接、密封等相關信息。

第三部分，屬性。它主要包括產品項目名稱、零件編號、重量等信息，是根據產品的數據管理信息來添加的。由于屬性信息不經常被瀏覽，常用CATIA的屬性件來進行查詢等工鞥。

2.關聯設計

關聯設計技術是三維產品定義過程中各個模型之間相互依賴關系建立的關鍵所在。該技術的應用對于實現產品設計輸入與輸出之間的關系影響重大，同時它們之間所形成的輸入輸出關系也會對定義骨架模型起到重要作用。

眾所周知，機車設計過程中要更改設計數模是十分繁雜的，需要大量的人力、物力投入。關聯設計技術的應用能夠將機車總體與結構、結構與系統以及系統之間的設計更好地關聯起來，實現信息共享，提升了機床設計數模變更的速度與效率。另外，上游設計的變更也能夠及時關聯到其他部分，設計數據能夠保持高度一致[4]。

機床設計過程中會涉及總體、結構或者系統的骨架模型節點，也就是所謂的骨架模型拓撲結果（見下圖2）。該骨架模型節點內容繁雜，寶開闊產品所有關鍵的設計要素，包括一些點、線、面的位置等，這些要素也會形成一定的關聯關系，從而進行關聯關系定義。

圖2 關聯設計產品結構層次及關系

3.骨架模型的定義

作為關聯設計的神經中樞，骨架模型是下游零件設計的直接驅動者，它會對骨架模型劃分合理與否產生十分重要的影響。骨架模型的建立使得產品的相關數據盡快地更新與傳遞，使得零件數據進一步更新。一般來說，骨架模型有四種：總體骨架、接口骨架、部段骨架和部件骨架，如圖3所示。

圖3 骨架模型的分類

第一，總體骨架。這是最為重要的，也是其他三種骨架形成的重要基礎，它是由總體外形和整機布置站位兩個部分構成的，主要是幫助下游建立接口骨架。

第二，接口骨架。該骨架的主要作用是協調兩個甚至多個不斷之間的對接區域，接口骨架是由多個公用元素組成的，主要進行各步端之間的協調。

第三，部段骨架。部段骨架是關聯設計的重要基準，由三大類元素構成：總體骨架中引用的元素、接口骨架中引用的元素以及各個部段細化的元素。部段骨架能夠根據部段的特點對下游部件進行適當的拆分，從而使得骨架更新時的影響面進一步降低，這樣也會使其他零件不受影響。

4.基于MBD的機車關聯設計

在進行機床設計時，設計者必須要首先考慮機床的總體及局部坐標系，從而發布整個機床的坐標系，之后才會在此基礎上設計機床的車廂外形等，建立整個機床的總體骨架模型，如圖2所示。

當然，隨著設計工作的推動，設計技術不斷提升，機床設計的骨架模型也不斷成熟起來，這些骨架模型可以供車體、車內等專業引用。之后，設計者要根據前期發布的骨架模型建立整個機床的結構骨架模型，隨后布置零件的主要元素，進行零件的詳細設計，如圖4。在完成零件的詳細結構設計之后，工作人員要在之前三維建模的基礎上標注三維信息，將標注信息與機床的幾何特征關聯起來。如果零件的局部特征發生更改，相關的三維標準信息也會相應更新，設計變更會更為簡單快捷，機床的設計質量會進一步提高，設計所需要花費的時間也會大大縮短。

圖4 基于MBD的關聯設計

5.總結

本文通過對MBD的技術原理進行了闡述，分析了關聯設計的原理和骨架模型定義的關鍵技術，給出了基于MBD的關聯設計過程，可以有效的指導機車的關聯設計，從而大大提高機車的設計效率，實現機車設計的快速更改。

[1]賈曉亮.關于MBD技術在我國航空制造企業應用的幾點思考[J].航空制造技術，2013（3）：50-54.

[2]徐圣，劉曉明，姚小虎，等.基于MBD的飛機數字化定義技術[J].科技創新導報，2011（27）：48-49.

[3]周秋忠，范玉青.MBD技術在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程，2008（3）：55-57.

[4]劉雅星.飛機并行協同研制模式與支撐技術探索[J].航空制造技術，2010（18）：77-80.