復合材料構件MBD 模型規范化檢查系統研究及應用

王 凱

（中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618307）

1 引言

目前，飛機結構正朝著大型化、整體化的方向不斷發展，而復合材料由于結構整體性的優勢，已經成為飛機結構的重要組成部分。而作為最新的CAD 技術，MBD（Model-Based Definition，基于模型的定義）技術在飛機復合材料構件設計當中得到廣泛的應用，MBD 模型成為結構設計的唯一數據源。在復合材料構件數字化制造過程中，產品設計、工藝設計、成型工藝裝備、設備控制和產品檢驗都要在構件三維模型中定義[1-4]，并作為整個復合材料研制的基礎。但是，由于復合材料構件結構多樣以及設計表達的復雜性，僅靠設計人員經驗不能保證三維模型的質量，需要建立全面的建模規范以及面向設計/制造的檢查系統來實時指導和規范復合材料構件全三維建模，這也是保證復合材料數字化設計制造快速發展的重要手段，并成為航空制造企業復合材料構件MBD技術應用需要解決的關鍵問題之一[5-6]。

針對復合材料構件MBD 模型，以復合材料構件的設計規范、工藝性要求為檢查對象，把質量控制融合貫穿于產品研制的產品設計、工藝設計等業務過程中，形成詳盡的模型檢查規范，建立一套面向復合材料構件的模型質量檢查技術解決方案，并開發復合材料構件MBD 模型規范性檢查系統，實現復合材料構件三維模型的檢查，保障三維模型品質（產品定義的規范性、完整性和工藝性）。

2 復合材料構件模型質量控制

在實施MBD 技術的航空制造企業，MBD 模型作為唯一的數據信息載體，其質量的好壞是關乎整個數字化制造過程。但是，在復合材料構件建模時，往往會出現各種數字化模型質量問題，沒有充分考慮構件的設計規范和工藝性問題[7]，進而引起后續各個階段的使用以及最終的產品質量。比如復合材料結構如果采用非均衡非對稱鋪層，有可能由于耦合引起制件翹曲。

因此，為了能確保MBD 技術在復合材料設計中得到良好的應用和實施，對于構件三維模型的質量控制就起到了至關重要的作用。以復合材料構件三維模型的MBD 信息為關注焦點，采用先進的質量工程技術和信息技術，集成現有的三維模型質量檢查軟件，研究基于檢查模板的構件模型規范性檢查技術，建立復合材料構件MBD 模型規范性檢查系統，具體流程如下：

（1）復合材料構件模型分析：研究對象是復合材料構件，根據不同類型把復合材料構件分為層壓板結構、蜂窩結構、RTM 結構、纏繞結構、口框結構、加筋結構等，同時針對企業具體的要求建立復合材料構件的檢查任務報告，然后依據產品的自身特點選用或者個性化定制檢查模板。

（2）檢查模板的定制：依據復合材料構件的MBD 信息，基于建立好的檢查規范知識庫進行檢查模板的定制。

（3）檢查的實施和檢查結果的處理：對于設計部門以及工藝部門都可以使用檢查工具進行實時的檢查，將每次的檢查結果數據進行儲存和分析，并給出檢查建議，嚴格控制模型質量。然后，對檢查結果進行統計，分析零件常見錯誤，并生成統計圖和統計報表作為設計人員的設計經驗。

（4）技術-系統-工具的集成：依據基于檢查模板的構件模型質量檢查技術建立復合材料構件三維模型規范性檢查系統，并與現成的檢查工具進行集成，實現系統與工具之間的無縫連接。

3 系統總體方案設計

圖1 系統網絡架構圖Fig.1 System Network Architecture

通過分析復合材料構件MBD 模型質量的控制過程，從信息集成、應用集成、過程集成和資源集成的角度出發，結合B/S、C/S架構各自優缺點的基礎上，提出了系統的整體架構—基于B/S 和C/S 混合的開發模式。其中，檢查工具的檢查使用C/S 方式實現，其它功能采用B/S 方式實現。

3.1 系統網絡架構

系統采用三層軟件架構，包括用戶界面層、業務邏輯層和數據層，系統架構圖，如圖1 所示。客戶端應用層為網絡化綜合業務平臺；業務邏輯層包含檢查模板定制、檢查實施、用戶管理以及系統配置等；數據層是系統需要的各種數據；此外，系統提供同與PDM 系統和檢查工具集成的接口。

3.2 系統整體應用框架

系統的整體應用框架，如圖2 所示。本系統的管理重點包括五方面。（1）檢查任務的接受和編制，在充分分析零件特征的基礎上編制檢查任務，并傳遞給檢查人員。（2）定制檢查模板，這是系統的核心內容，檢查模板是最終實施檢查的基礎和理論依據。（3）檢查零件管理，通過與PDM 系統的集成，直接下載零件三維模型并進行信息管理。（4）實施檢查，通過與檢查工具的集成，針對選擇好的檢查工具對檢查模板中的檢查項進行一一配置，最后實施檢查。（5）檢查結果的管理，檢查結果是最終形成的檢查報告，不允許被修改，可以作為對于零件設計模型的質量認證。

圖2 系統的整體應用框架Fig.2 The Overall Application Framework of The System

3.3 系統功能模塊劃分

系統主要分為基礎文檔管理、檢查規范管理、定制檢查模板、檢查實施、檢查結果管理和用戶管理六大模塊。系統功能模塊，如圖3 所示。

圖3 系統功能模塊圖Fig.3 Function Modules of The System

規范文檔管理模塊主要由規范文檔管理，檢查任務管理以及檢查環境管理三大部分組成，該模塊可以為設計人員提供統一的設計規范，使用人員可以進行檢查任務的編制，檢查人員可以進行檢查任務的接受以及檢查環境的下載；檢查規范管理模塊主要是對檢查規范進行管理，分專業進行檢查項的管理；定制檢查模板模塊的主要功能由檢查模板的管理和定制檢查項；檢查實施模塊主要是對被檢查零件實施檢查，主要功能有檢查零件管理、零件模型下載、調用檢查工具等；檢查結果管理模塊主要是對檢查結果形成檢查戳記以及檢查報告，供其他人員進行瀏覽查看；用戶管理模塊包括用戶基本信息管理和用戶資質管理兩大功能。

4 關鍵技術

4.1 復合材料構件MBD 模型信息組織形式

4.1.1 復合材料構件MBD 模型劃分

基于MBD 技術的復合材料構件數字化制造過程屬于并行工程，在構件設計過程中要考慮整個制造過程，包括工藝及工裝設計、產品制造及檢驗等。而整個數據流轉過程中的唯一數據源是復合材料構件三維模型，進而派生出各個階段的數據模型。各階段數據模型的流轉過程，如圖4 所示。

圖4 基于MBD 的復合材料構件制造流程Fig.4 MBD-based Manufacturing Process for Composite Components

在設計階段，設計人員根據需求計劃進行MBD 三維模型的設計，形成復合材料構件設計模型。在工藝/工裝設計過程中，工藝設計部門根據設計部門的三維設計模型進行工藝分析，形成工藝模型及工裝模型。在產品制造過程中，產品制造部門根據工藝/工裝模型完成零件的加工、部件的裝配。在產品檢驗檢測過程中，檢驗檢測部門根據設計模型以及工裝模型進行檢驗檢測計劃的編制，形成檢驗模型[8]。最終，產品MBD 模型在整個產品設計/制造過程劃分為四個子模型，設計模型、工藝模型、工裝模型以及檢驗模型。

4.1.2 復合材料構件MBD 模型信息劃分

圖5 復合材料構件MBD 模型信息Fig.5 MBD Model Information for Composite Components

一個完整的MBD 模型所包括的數據元素包括。（1）幾何信息：零件實體，工程幾何，構建幾何，外部參考；（2）非幾何信息：標準說明，標注說明，零件說明，材料描述，基準、尺寸和公差標注，裝配連接信息定義以及其它定義數據。依據復合材料構件分類以及基于MBD 的復合材料構件數字化制造流程形成的四個子模型，可以把復合材料構件模型按照圖5 所示進行劃分。

設計模型：幾何信息包括鋪層輪廓、鋪層所在面、構件實體等幾何[9]；非幾何信息包括構件設計模型的標注與屬性；構件類型、結構形式、型面、制造精度等信息。

工藝模型：幾何信息包括工藝特征幾何、鋪層下料幾何以及生成鋪放數據幾何。工藝特征幾何包括三角填充區、界面強化區、共固化筋條等類型；鋪層下料幾何包括切片輪廓幾何；生成鋪放數據的幾何包括鋪層邊界輪廓（半自動鋪放方式的激光投影）；鋪放軌跡、鋪放料帶邊界幾何（自動鋪放方式）。非幾何信息包括工藝結構樹、工藝/工序信息以及工藝模型的標注與屬性。主要內容有鋪層切片、鋪層展開、鋪層制造數據等；尺寸、公差、鋪層等制造信息的集成表示；工藝屬性；工序屬性、工序標注，工序與相關模型、參考幾何、制造數據等建立關聯關系；工步包含屬性信息與關聯關系。

工裝模型：幾何信息包括工裝幾何模型；制造過程中需添加的輔助幾何，如固化工序中的輔助設備（包括熱電偶、真空嘴、隨爐件）所在位置點及相關幾何；待膠接面的保護工裝模型；裝夾、定位基準。非幾何信息包括成型精度（尺寸、公差）、固化溫度、壓力、時間、表面處理方法：工裝設計模型的標注與屬性；輔助設備的標注、名稱、類型等信息。

檢驗模型：幾何信息包括復材構件檢驗幾何模型，包括需檢測的點、線、面；非幾何信息包括構件檢驗模型的標注與屬性等。

4.2 復合材料構件MBD 模型規范性分析

考慮復合材料構件設計的特點，結合并行工程中數據的傳遞，進行復合材料構件MBD 技術的規范性分析，最終形成完整的建模規范體系。復合材料構件MBD 模型的建立不僅要遵守企業自身的標準，還要遵守國標、航標以及MBD 技術技術標準。這些標準是建立檢查規范的主要依據，是對于三維模型檢查的規范支撐。

基于MBD 技術的實施，并充分考慮復合材料構件的工藝性，可以把復合材料構件MBD 模型規范性分為六類。（1）合理性。比如定位基準應合理，并盡量統一等；鋪層和夾芯定義要合理。（2）穩健性。比如鋪層坐標系用來標識纖維的基本方向，即0°方向；合理的結構形式保證構件的設計強度和剛度。（3）標準化。比如不同顏色的幾何輪廓標識不同的鋪設角度；鋪層的非幾何數據存儲在鋪層屬性中；零件的各種參數和結構要素標準化等。（4）高效性。比如鋪層曲面必須與鋪層組曲面匹配；比如設計基準與工藝基準應盡量統一等。（5）經濟性。比如合理地選擇材料并正確地確定尺寸；公差與尺寸精度要在合理區間等。（6）工藝性。比如復合材料結構應盡量采用均衡對稱鋪層，以避免固化后由于耦合引起制件翹曲；由于預浸料寬度的限制，需要按適當的間距將超出限制寬度的鋪層進行分塊；模具設計時候熱膨脹補償等。

4.3 基于相似性的檢查項檢索

復合材料構件MBD 模型目標檢查項的檢索需要構件模型的索引信息，即適當選擇復合材料構件MBD 模型中的各類特征作為相似性評價的因素[10]。其最終的評判結果可以設置成具體的評價得分，通過目標條件加權，得到其中一項匹配檢查項。其檢索過程如下：

定義檢索條件為集合A=｛A1，A2，A3，A4｝，中A1代表結構類型，A2代表子模型類型，A3代表是否為幾何信息，A4代表關鍵字。某個Ai（i∈｛1，2，3，4｝）由j個選項組成，則記為Ai=｛Ai1，Ai2，…Aij｝。

定義復合材料構件MBD 模型屬性為集合O=｛O1，O2，O3，O4｝。某個Oi（i∈｛1，2，3，4｝）又由j個選項組成，則記為Oi=｛Oi1，Oi2，…Oij｝。

定義Sij為復合材料構件MBD 模型單項屬性與檢索條件的相似性。單項屬性相似度算法公式為：

定義檢索條件的權重為集合W=｛w1，w2，w3，wn｝；其中wi代表檢索條件Ai的權重值。目標檢查項的相似性由結構類型、子模型類型、幾何信息以及關鍵字信息綜合加權獲得，用SR表示：

最終，根據檢查項知識模板，采用基于相似性的復合材料構件模型檢索查詢最為相似的已有檢查項，為模板中的各檢查項定制信息提供參考，從而快速完成檢查模板定制。

5 系統開發與應用實例

以VS2012 為開發平臺，結合Oracle 關系數據庫，使用JAVA 語言開發了復合材料構件MBD 模型規范化檢查系統。系統界面，如圖6 所示。系統主要由五大模塊構成，即基礎文檔管理、檢查規范管理、定制檢查模板、檢查實施以及檢查結果管理。以某復合材料構件的MBD 模型為實例進行了系統的驗證。某復合材料構件MBD 模型，如圖7（a）所示。定制的檢查模板，如圖7（b）所示。檢查結果，如圖7（c）所示。通過復合材料構件MBD 模型規范化檢查系統，發現了構件存在的問題，并提示了相應的解決方法。

圖6 系統界面Fig.6 System Interface

圖7 某復合材料構件MBD 模型檢查Fig.7 Examination of MBD Model for Composite Component

最終，通過復合材料構件MBD 模型規范化檢查系統：實現了規范文檔的集中管理。設計人員通過檢索就可找到自己需要的規范文檔，而且可以看到下游工藝人員提出的工藝審查要求，避免了設計出的模型不能生產的問題；實現了檢查規范的形式化表達。依據設計規范以及設計/制造人員的經驗，利用知識庫技術建立檢查規范，方便后期檢查模板的定制以及檢查項的配置；實現了系統與檢查工具的集成。通過系統可以調用檢查工具，系統的檢查規范與檢查工具的檢查項實現一一對應；實現了標準化檢查模板的使用。使用人員可以根據自身的需求定制檢查模板并進行發布，以后設計的模型必須都滿足這些檢查模板的要求，保證了設計模型的規范化；實現了檢查報告的在線瀏覽。對于各部門的檢查報告可以在網上在線瀏覽，上游交給下游的模型必須附帶檢查報告，下游的進行模型審查形成的檢查報告也可以傳遞給上游部門。

6 總結

隨著MBD 技術在復合材料構件設計中的不斷應用，保證復合材料構件MBD 模型的質量成為整個產品制造的關鍵。由于復合材料結構設計的復雜性與多樣性，因而復合材料結構件三維模型的質量控制不能簡單地依靠設計人員的而經驗，需要把設計人員的相關經驗作為重要的智力資源進行知識化處理，并開發規范性檢查系統。復合材料構件MBD 模型規范性檢查系統為航空制造企業設計人員、工藝人員以及生產加工人員的經驗傳承提供了平臺和方法，保障了三維模型定義的規范性、完整性和工藝性。同時，系統的運行穩定、可靠，對于保證復合材料構件數字化制造過程中三維模型的質量具有重要的現實意義，工程應用前景廣闊。