新型航天器基于模型定義（MBD）方法研究與應(yīng)用

鄧云飛、顧春輝、徐喆、尹進 /中國運載火箭技術(shù)研究院

航天新型產(chǎn)品研制領(lǐng)域面臨著外部競爭激烈，內(nèi)部任務(wù)重、周期緊、技術(shù)難度大等困難，為確保我國新型航天器預(yù)研領(lǐng)域大有可為，必須放眼國際前沿，突破傳統(tǒng)觀念，尋求最佳研制模式，大幅縮短產(chǎn)品研制周期，提高研發(fā)質(zhì)量。航天新型飛行器航空航天結(jié)合，協(xié)作單位跨越航空航天多家單位，急需突破傳統(tǒng)航天型號設(shè)計工具、設(shè)計平臺、研制模式和體系，建立適用于復(fù)雜協(xié)作關(guān)系和復(fù)雜飛行器構(gòu)型的高效研發(fā)模式。

一、MBD概念的提出

基于模型定義(MBD)是采用全三維模型設(shè)計，將產(chǎn)品模型的幾何、非幾何信息按照一定規(guī)范用統(tǒng)一的模型進行定義表達的設(shè)計方法。美國通過ASME Y14.41 完成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并應(yīng)用于波音787、777 等客機研制，極大提高了研制效率，推動了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)無紙化跨越式發(fā)展。

在新型航天器產(chǎn)品研制過程中，項目團隊結(jié)合ASME Y14.41 對數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)集定義及國內(nèi)外先進航空宇航企業(yè)相關(guān)規(guī)范，面向國內(nèi)航空航天實際技術(shù)水平，制定合理的MBD 數(shù)據(jù)集定義方案。不僅需要將傳統(tǒng)的基于二維圖樣定義技術(shù)中尺寸公差、注釋等標(biāo)注信息移植到三維模型中，更關(guān)鍵的是要滿足管理技術(shù)以及并行工程要求。

二、 MBD主要內(nèi)容

新型航天器產(chǎn)品MBD 將傳統(tǒng)二維圖樣上的尺寸公差、旗注、技術(shù)要求、材料屬性等信息通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范集成到三維模型文件中。根據(jù)《新型航天器數(shù)據(jù)集定義規(guī)范》，MBD 數(shù)據(jù)集包括實體模型、三維注釋、尺寸及公差標(biāo)注等信息，滿足完整定義產(chǎn)品的所有要求，典型MBD 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示（實體模型+三維標(biāo)注稱為設(shè)計模型，其他非幾何信息定義在特征樹中）。

圖1 典型MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

三、MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括主幾何、工程數(shù)據(jù)集和設(shè)計環(huán)境相關(guān)零部件，其中主幾何數(shù)據(jù)集包括主幾何模型數(shù)據(jù)集、接口控制幾何。

1.MBD 數(shù)據(jù)集的分類

（1）主幾何

主幾何包含構(gòu)成飛行器外形和骨架的主要幾何元素，新型航天器概念設(shè)計到產(chǎn)品詳細出圖的基準(zhǔn)模型。

全飛行器主幾何。描述全飛行器外輪廓及結(jié)構(gòu)框梁位置的模型，對機身結(jié)構(gòu)、翼面結(jié)構(gòu)等外部曲面特征進行定義，是進行外形曲面相關(guān)零件設(shè)計和工裝模具制造的重要依據(jù)。主尺寸外形模型數(shù)據(jù)集和主基準(zhǔn)文件定義了飛行器所有外部、內(nèi)部的形狀及主要坐標(biāo)系統(tǒng)、基準(zhǔn)系統(tǒng)（點、線、面）。據(jù)集和主基準(zhǔn)文件定義了飛行器所有外部、內(nèi)部的形狀及主要坐標(biāo)系統(tǒng)、基準(zhǔn)系統(tǒng)（點、線、面）。

接口控制模型。對系統(tǒng)、部件之間的接口特征和要求進行定義，由說明文檔、設(shè)計接口模型組成，該數(shù)據(jù)集由總體設(shè)計人員定義和維護。

（2）工程數(shù)據(jù)集

新型航天器工程數(shù)據(jù)集包含實體幾何、三維標(biāo)注和設(shè)計模板屬性定義的信息。名義尺寸直接在實體幾何1：1 中體現(xiàn)；關(guān)鍵尺寸和公差以及特殊技術(shù)條件通過三維標(biāo)注表達；通用公差、材料屬性、表面處理、技術(shù)條件等通過模型模板自帶定義。新型航天器三維裝配工程數(shù)據(jù)集主要通過裝配要求模型進行定義，僅定義裝配關(guān)系、連接信息。

（3）設(shè)計坐標(biāo)系和版本

除緊固件、復(fù)用件可通過復(fù)制實例化進行定義外，其他結(jié)構(gòu)零件設(shè)計位置應(yīng)由骨架模型采用自頂向下的設(shè)計方法確定。零件位置與骨架產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，零件數(shù)模的坐標(biāo)系與飛行器總坐標(biāo)系重合。所有模型應(yīng)標(biāo)識版本，通過版本管理技術(shù)狀態(tài)，使模型的設(shè)計歷史過程可追溯。

2.各類數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系

一是各類型的MBD 數(shù)據(jù)集都由一個單獨的零件模型構(gòu)成，只有裝配件的數(shù)字樣機是由多個零件模型組合而成。二是MDS 和MDF 模型是所有其他文件的基礎(chǔ)，定義了其他所有模型之間的主要位置關(guān)系和外形基準(zhǔn)。三是進一步分解為ICM 模型，對零件之間的位置關(guān)系和連接關(guān)系、位置進行定義。MDS 和MDF 可以用來直接定義零件，所有設(shè)計環(huán)境相關(guān)的零件均創(chuàng)建在全飛行器坐標(biāo)系下。

四、MBD數(shù)據(jù)集中的組成

零部件產(chǎn)品的MBD 數(shù)據(jù)集包含精確的三維實體模型，通過模型制定的幾何集關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的三維幾何信息、零部件表信息以及描述產(chǎn)品所需尺寸、公差和注釋信息，如圖2 所示。裝配要求模型中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)管理和表達，可以引入部分參考實體模型。對于組件/裝配MBD 數(shù)據(jù)集應(yīng)包括設(shè)計配套表，以單獨的文檔形式表現(xiàn)，作為三維裝配模型的補充。完整的MBD 數(shù)據(jù)集應(yīng)適應(yīng)飛行器并行定義工作模式，提供能夠容納并行工作結(jié)果的集成框架。

圖2 2MBD數(shù)據(jù)集組成

五、 MBD數(shù)字化產(chǎn)品定義

完整的MBD 模型數(shù)據(jù)包括關(guān)聯(lián)設(shè)計數(shù)據(jù)、實體模型、工程注釋、尺寸和公差、工藝信息、裝配連接等。采用數(shù)字化軟件模塊實現(xiàn)三維定義，一般幾何名義信息由模型本身表達，幾何公差、非幾何信息由三維標(biāo)注完成。典型的金屬機加零件三維標(biāo)注視圖包括所有注、軸側(cè)圖、纖維方向、基準(zhǔn)。

（1）實體模型

實體模型應(yīng)基于骨架模型，由骨架模型發(fā)布的理論外形曲面、站位平面等約束關(guān)聯(lián)設(shè)計，生成的模型與實物產(chǎn)品比例應(yīng)為1:1，且位置確定。

（2）工程注釋

標(biāo)準(zhǔn)注是對項目的通用說明，包括項目概述、通用說明、版權(quán)說明、密級、數(shù)字化產(chǎn)品定義遵循的標(biāo)準(zhǔn)、尺寸及公差遵循標(biāo)準(zhǔn)、完整性要求、運輸及保護、尺寸單位、模型尺寸比例等。

（3）尺寸、公差及基準(zhǔn)標(biāo)注

MBD 模型為產(chǎn)品法定尺寸公差標(biāo)注的唯一介質(zhì)，每個關(guān)鍵零件特征的工程數(shù)據(jù)（如公差、型面精度）均應(yīng)通過零件注或功能尺寸和標(biāo)注（FT&A）直接在CATIA 模型特征上進行定義，且所有FT&A應(yīng)與唯一的模型相關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品特征的所有尺寸、公差、工藝處理內(nèi)容要在模型中保持唯一、無冗余。

三維模型標(biāo)注應(yīng)摒棄二維制圖“應(yīng)標(biāo)盡標(biāo)”的思維定勢，基于三維模型的定義要求，用模型表達的無須使用尺寸。基于模型的定義幾何元素是解析幾何的“方程式”，二維制圖的幾何元素是平面幾何的量。

（4）工藝信息

MBD 數(shù)據(jù)集的核心理念是通過唯一的三維模型，集成設(shè)計信息和必要的工藝信息，統(tǒng)一全過程數(shù)據(jù)源。對于零部件的工藝信息，可分為零件級工藝信息和零件特征工藝信息，因此在MBD 模型中分別以零件注、標(biāo)準(zhǔn)注、物料描述說明等方式處理。對于部分零件，應(yīng)將設(shè)計關(guān)注的工藝信息體現(xiàn)到模型中，實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。對于需要顯示界面規(guī)范的應(yīng)專門進行標(biāo)注；對于復(fù)合材料，應(yīng)根據(jù)工藝特點標(biāo)注模具面、設(shè)計和工藝邊界以及生成符合工藝規(guī)范的鋪層信息。

（5）裝配連接信息定義

每個零件都要通過機械連接（鉚接、螺接等）、膠接或焊接進行連接，因此所有零部件產(chǎn)品必須要有連接特征定義。在數(shù)字化產(chǎn)品定義中，裝配或安裝產(chǎn)品與零件產(chǎn)品最大區(qū)別在與對裝配或安裝工藝的標(biāo)注注釋和說明。例如將裝配緊固件已簡化的點、線表示，在模型中體現(xiàn)。一方面裝配工藝根據(jù)點線的屬性獲取緊固件的牌號和安裝要求，另一方面零件工藝可以根據(jù)點線位置數(shù)控加工導(dǎo)引孔，方便裝配精準(zhǔn)定位。

航天新型產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域新、專業(yè)跨度大、參與單位多、研制周期緊張、設(shè)計質(zhì)量和使用可靠性要求高，需要高效的設(shè)計模式支撐項目的成功研制。項目組從傳統(tǒng)的二維+三維的產(chǎn)品數(shù)字化定義向MBD 數(shù)字化定義轉(zhuǎn)變，核心是二維工程圖和零件表定義與應(yīng)用完全被MBD 數(shù)據(jù)替代。在新型航天器產(chǎn)品MBD 數(shù)字化定義技術(shù)應(yīng)用過程中，構(gòu)建了MBD 數(shù)字化產(chǎn)品定義的一般原則和方法，建立了較為詳細、完善的MBD 技術(shù)規(guī)范體系。▲