第十一节__飞机产品数字建模技术

十一、飞机产品字建模技术
传统的工程设计方法是设计人员在图纸上利用几个不同投影视图来表示一个三 维产品设计模型，图纸上还有很多人为规定、标准、符号和文字描述。对于一个较 为复杂部件，要用若干张图纸，尽管这样，图纸上还尽是密密麻麻的各种线条、符 号和标记等。 利用实体建模软件进行产品设计时，设计人员可在计算机上直接进行三维设计， 马上在屏幕上见到所设计产品的真实三维模型。所以，这是工程设计方法的一个突 破，将从根本上改变传统的设计方法。波音777客机的机体设计中大部分零件用三维 实体设计到50％的细节。
模线设计组（仍沿用原有名称）人员利用前述的气动设计结果、飞机内 部轮廓模型DIP和结构数据，在CATIA CAD系统上建立飞机的气动表面定 义，称作主尺寸表面MDS类似于我国的飞机外形数学模型。这架飞机三维
外形数字模型和它的内部轮廓数字模型合在一起组成了三维数字化产品定
义。
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主尺寸表面MDS定义
验证界面的匹配、孔的轴线的不对准和空间区域安排等情况。
6：解决存在的问题。设计人员利用联机操作的返回文件，传送模型中存在的问题， 通过通讯和协调解决所有发现的问题或关心的问题。 7：再共享设计。经过上次数字化装配后，被修改的模型再次进入共享数据库，这 样一次又一次的反复循环设计，直至所有零组件设计完成并能很好地装配在一起。
2：共享模型。设计人员通过软件输入有关有效性信息和位置数据可进入三维零部 件模型库，共享产品模型信息。
3：管理DPA数据。数字预装配行政管理人员检查模型的内容、格式和特征数据， 附带模型创建历史的复制模型存入共享文件中，以备设计组成员需要时使用。 4：查找模型。设计人员可在给定范围里查找所有零组件，可根据它们的位置和有 效性从数据库中找到所需零组件。 5：检查干涉。每个设计人员可进行数字化预装配，来检查飞机某部分的干涉情况、
一级、二级和三级样机的术语是代表按通常标准划分的设计过程不同 的阶段。采用数字化预装配技术后，因产品的设计进程大体相同，所以仍 旧采用这一术语来说明产品开发的不同阶段。
波音公司从767－X项目开始利用CAD/CAM系统进行数字化产品定义
工作。工程设计部门负责对每个零件进行三维数字建模，接着进行数字化 预装配，即建立数字样机（也可称作电子样机）。通常的一级和二级实物 样机被在计算机上进行的数字化模拟预装配所替代。
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波音777飞机是波音公司第一次“无纸”设计和制造的运输机。CATIA 系统的预装配检查允许设计人员直观地看到零部件，询问有否不协调或干 涉现象。还可方便地测定间隙、确定公差和分析零件重量、平衡和应力等。
从总体上，波音公司利用这一技术的预定目标已经超过，使设计更改和 返工率减少了50％以上。与过去项目相比，装配时出现的问题减少了50％～ 80％。对于制造来说，设计更改和返工现象是影响成本的最大因素，由此看 到这些百分数的意义。
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产品结构分解
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工艺人员和设计人员在产品协同设计组里还有一个重要工作，即共 同确定零组件或装配件的关键特性KC（Key Characteristics）。由于零组 件不可能按指定的尺寸正确无误地制造出来，制造出的零件一般在所标 尺寸的允许公差范围内，这些公差就是零组件的关键特性。
但并不是一个零件上的所有尺寸和形状都是关键特性，而仅是其中 几个。关键特性的数量和范围对以后减少零组件的制造问题有着十分重
要的意义，对产品的最后性能和疲劳强度也有很大影响。因此，确定关
键特性的工作极其重要，要慎重进行。
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关键特征
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（二）三维工装设计与工艺计划
工装工程部门开始工装设计时，是与制造工程部门一起共同确定重要
定义表面和尺寸。工装设计和产品设计一样，也首先是进行三维建模（实
体模型），然后工装设计人员利用三维零部件模型进行工装的数字化预装 配，检查零部件对工装以及工装对工装有无干涉和留有足够的空间。
（五）产品数字建模的其它相关工作
与飞机形状和结构密切相关的绝缘毯设计就是重要的工作之一。绝缘 毯包裹在整架飞机的内侧壁上，用来防潮、隔热和防止噪音等。如波音767 民航机上就有2 500块之多，50％的形状各不相同。采用三维数字定义后， 不仅省去三维的实物样件，而且可以将它们展开后进行计算机辅助排样下 料，这样最大限度地减少了废料和返工现象。
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（四）几何结构设计和零件表生成
在飞机的主尺寸表面定义MDS和内部轮廓数字模型DIP构成的飞机产品 数字化定义基础上，进一步对零组件进行结构设计。作为一般规则来说， 此阶段的所有零组件都应构造成精确的三维实体模型。 结构设计人员必须考虑到所有系统在结构中的贯穿情况，有无干涉和 留有一定必要间隙，连接件的位置，支架分布和过渡表面等多种情况。再 由三维实体模型生成二维的工程图纸，标注尺寸和公差等，构成唯一的授 权数据集（Data sets）。
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数字样机定义
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1：第一阶段数字化预装配（一级数字样机）。 它建立了零部件的基本形状、包容空间并协调各工程设计组之间的 空间位置安排的飞机空间定义。用来支持所谓的“初步结构和系统界面 定义”的飞机设计里程碑，前节所述的三维实体数字内部轮廓定义构成 了一级数字样机。
2：第二阶段数字化预装配（二级数字样机）。 在生产设计数据集（Data sets）发放前，为工程部门用来进一步进行产 品开发、验证设计构形等。它已经用来进行了飞机结构设计和不同设计组之 间界面的协调，零部件外形已确定下来，但还未进行详细设计。
（一）百分之百产品数字化定义（100％ Digital Product Definition）
在航空领域，飞机零件的数字化定义一般用CATIA（Computer－ Aided－Three－Dimensional Interactive Application）CAD/CAM系统进行零 件的三维建模。CATIA是法国达索飞机公司的系统注册商标。
工装是一种机械装置，它们支持着飞机零部件的制造和装配全过程， 工装的范围很广，包括各种模具、机加卡具、装配型架、标准工装、运输
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（三）主尺寸表面MDS（Master Dimension Surfaces）定义
负责飞机气动部门的技术人员，对气动布局、气动性能、稳定性和可 控制性研究后，确定了飞机的最终气动性能，如飞机性能、飞行速度和航 程、飞机的有效载荷、飞行性能和控制系统要求等，并确定了飞机的气动 外形（包括翼型形状，整个机翼和发动机短舱的外形）。
数字化预装配（DPA）是在计算机上进行零件造型和装配的一个过 程，达到在零件进行加工前就进行了配合检查的目的。DPA的成功依赖 于零件设计的彼此共享。DPA的使用将降低由于工程错误和返工等带来 的设计更改成本。
随着新的DPA软件工具的出现，设计的职责将包括对配合面和干涉 的检查，其精确度可达到前所未有的程度。DPA的目标是在发放设计以 前就消除干涉现象。
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飞机总体设计
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飞机内部轮廓图包括系统安排、空间分配和高速外形线等，通常绘制 成二维图形，现在设计人员把它建成三维实体模型（在CATIA系统上）。 这个三维数字内部轮廓定义模型称作DIP。DIP代表了波音公司的初始的一 级数字样机。
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（二）建立数字样机与数字化预装配DPA（Digital Preassembly）
DPA还将用来进行结构与系统布局、管路安装、导线走向等进行设 计集成，以及论证零件的可安装和可拆卸性。
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（三）并行方式产品定义（Concurrent Product Definition）
并行产品定义（CPD）是一个系统工程方法，它包括产品各部分的同 时设计和综合，以及有关工程、制造和支持相关性协调的处理。这一方法
产品设计结果体现在两个方面，一个是产品几何信息，另一部分是产 品的非几何信息，包括产品结构树和工艺信息存储于APL系统中。当然这 两部分信息是密切相关，不可分割的，否则产品信息就不完整。这两部分 信息相关性是通过产品图号或零件号来实现的。
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几何设计和零件表生成
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零件的实体模型
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结构设计
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所有零件的三维设计结果是唯一的权威性数据集（Data set），可供 所有的后续环节使用。用户评审的唯一依据是这套数据集，而不再是图 纸。每个零件的数据集将包含它的三维模型、也给出二维图形，并标有 尺寸和公差。对于数控加工可利用三维的线框和表面模型数据。
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（二）三维实体模型数字化预装配（3D Solid Digital Pre-assembly）
使开发人员一开始就能考虑到产品生命周期里的所有环节，从项目规划到
产品交付的有关质量、成本、周期和用户要求等。
当CPD有效应用后，它将提供以下效益：
在早期产品设计中由于工程更改单的激剧减少，导致设计质量的提高。 由于把产品的设计和制造的顺序方式改变成并行方式，减少了产品开
发时间。
通过使多种功能和学科集成到产品设计过程中，降低了制造成本。 通过产品和设计过程的优化处理，大大减少了废品和返工现象。
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已有零件库
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11.3 基于产品数字模型的制造工程
飞机的制造工程大体上是与飞机的设计工作同时展开的，制造技术人 员和设计员在同一协同设计组中并行工作。
（一）产品结构分解和关键特征的确定 在飞机产品的初步设计阶段，飞机的三维数字模型还是单一的整体 模型，此时制造技术人员就需和设计人员（包括用户）一起，怎样把飞 机整体模型分解成部件、组件和零件，以及基于这些零组件上的装配件 和安装件，直到最后飞机怎样装配出来。
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11.2 基于产品数字建模的工程设计过程
（一） 建立飞机内部轮廓数字模型DIP（Digital Inboard Profile）
飞机总体设计组经过对飞机的航程、所需燃油、载客量、总体性能 及制造成本等分析后得出的数据就作为进行初步产品数字建模（或称作 产品数字化定义）的依据，建立飞机总体定义，它包括飞机的描述文档、 三面图、外形气动布局和飞机内部轮廓图（Inboard Profile)，