我國飛機研制數字化技術應用，一直以來都在跟蹤、研究、學習、借鑒世界先進飛機制造公司，特別是波音公司的先進經驗。波音公司作為飛機數字化研制技術應用的成功代表，實現了飛機研制全生命周期的數字化。波音數字化技術應用以波音777和787的研制為代表。20世紀90年代初期，波音在777的研制中全面應用三維設計技術；2004年啟動的波音787項目在777基礎上應用基于MBD技術的全三維設計，同時由于設計手段變化帶來的管理模式的變化，PLM技術也得到廣泛和深入的應用。1989年波音公司的工程師們就經過研究確信，利用數字化預裝配將有效減少設計更改、錯誤和返工，使零件易于裝配，減少零件間干涉、配合面不協調、孔軸線對不準等現象，將會大幅度降低產品成本，縮短研制周期，進一步提高產品質量和服務水平，并在波音777的研制中取得全面成功。在波音787研制中，波音公司進一步應用了PLM的全球協同環境（GCE），使得波音787的協同研制工作順利進行，為波音取得了巨大的經濟效益和社會效益。

    與波音相比，我國三維設計的規模化應用，始于20世紀末期啟動的新飛豹研制，與波音777研制三維設計技術應用相差10年。新飛豹設計全面采用三維設計技術，進行零組件的三維建模、全機電子樣機的構建、空間和位置協調、干涉和協調性檢查。新飛豹全機電子樣機是國內第一架全機電子樣機，也是首次用電子樣機替代物理樣機進行協調設計，用數字量代替模擬量進行設計信息的傳遞。三維設計技術的規模化應用及其所帶來的效果，加速了我國航空工業數字化技術推進和應用的步伐，也使上至管理人員下至設計人員親身經歷和感受數字化技術對型號研制的作用。2008年，在重點型號研制中，一飛院和行業主要飛機制造商，全面深入開展基于MBD技術的全三維設計技術應用，同時構建了支持跨地域多廠所的重點型號協同研制環境（DCE），有力支持了重點型號的研制，與波音相差4年的全三維設計及其協同研制技術的應用大大加快了型號研制效率和質量。

    所以，無論是國外還是國內，三維設計技術在推動飛機數字化研制技術的全面應用方面起到了非常重要的作用。

全三維設計技術

    由于受多種條件限制，近百年來，在工程應用領域，人們一直以藍圖的形式表達設計和制造意圖。隨著計算機技術的發展，特別是CAD技術的發展，回歸三維設計成為可能。盡管二維設計在產品設計和制造方面發揮了不可低估的作用，但在復雜產品設計中，特別是飛機產品研制中，還需要建立不同材質和不同復雜程度的物理樣機，用于設計協調，增加了研制經費，延長了研制周期。這是因為二維設計不僅不直觀，而且不能精確定義復雜形面的零件，具有信息重復轉換、協調過程困難、信息傳遞不準確等缺點，也不利于后續數字化制造。為了解決設計協調問題，進行產品裝配分析和運動機構分析，使用CAD技術建立的飛機產品幾何樣機大大加快了協調效率，在飛機研制中，甚至取消或部分取消了物理樣機，充分展示了數字化設計技術的能力和作用。但為了支持制造，還需要把三維模型轉換為二維圖樣提交制造使用，這帶來了新的問題，主要表現在增加了設計的工作量、存在多種數據源、數據更改控制復雜，既要保持二維研制體系，又要兼顧三維模型，二維研制模式和三維研制模式時常發生沖突。

    現實矛盾和沖突，使不得不考慮使用新的技術，實現設計意圖表達的唯一性和一致性。實際上，1997年，美國機械工程師協會ASME 就開始了全三維設計相關標準的研究制定工作，并于2003年頒布了“Y14.41（Digital Product Definition Dat aPractices）”標準，該標準把三維模型和尺寸公差及制造要求統一在一個模型中表達。后來波音公司研究探討全三維設計的工程應用問題，并在波音787的研制中得到工程化應用。在我國，為了解決二維圖樣和三維模型共存帶來的問題，徹底改變基于模擬量傳遞的傳統飛機研制模式，從而推動數字化技術體系全面、深入和高效的應用，以重點型號研制為載體，大規模開展全三維設計技術的應用，并逐步完善建立了面向制造的全三維數字化設計技術體系。

圖1 全三維設計零件模型

    MBD技術基于特征的定義，具有更強的表現力，能夠更真實地表現設計制造特征，更好、更準確地表達設計意圖，也容易進行工程信息的抽取和知識的挖掘（圖2）。

圖2 零件特征定義

    通常，對全三維設計模型或MBD模型所包含的信息定義為幾何模型信息（外形和尺寸）和非幾何信息（屬性和要求），見圖3。但由于設計模式（從二維到三維）的變化和設計手段（從模擬到數字）的變化，全三維設計更應著重其體系的建設和應用，因此全三維設計不但要將產品的相關信息，包括幾何模型、尺寸及公差、制造要求等，以及屬性和管理等非幾何信息定義在模型當中，還需要與產品管理系統集成應用，在各種設計資源和知識庫的支持下，通過使能工具和手段，實現零件的快速建模，并能實現設計、工藝設計和工裝設計等信息共享，支持飛機研制階段的數字化制造。

圖3 MBD模型信息組成

全三維設計實現了飛機設計手段和模式的變革

    全三維設計不但表現為設計工具的改變（三維CAD軟件的使用，如CATIA V5），更重要的是要建立基于全三維設計全新的標準規范體系，因此，全三維設計是一種全新的飛機研制模式。

    全三維設計技術的應用，離不開全三維設計技術應用規范。波音為了推動全三維設計的應用，首先編寫了BDS-600系列規范，共計23種，專門針對全三維設計技術的應用，包括基于模型的定義總體要求、模型的標識要求、機械零件加工要求、復合材料建模要求等。一飛院重點型號研制，建立了設計規范18份，工藝工裝設計規范70多份，充分考慮產品研制過程中各個環節的要求，形成基于三維模型定義設計信息、工藝信息、檢驗信息、制造信息等融為一體的標準體系。這些標準規范涵蓋飛機設計的各類零部件，包括機加、鈑金、復材、管路、電氣等零部件，同時應考慮飛機研制過程中的各個環節，包括設計、工藝、檢驗及制造，例如尺寸和公差標注方法、剖視圖生成技術方法、加工要求標注方法、特征視圖捕獲創建與管理技術方法、關鍵特征的標注方法、采用零件模型進行三維裝配模型的標注技術方法等。

    全三維技術實施后，原有基于兩維的工藝體系和檢驗體系不再適應新技術要求，必須進行相應改革。工藝設計和檢驗設計將不再通過兩維圖紙作為設計依據，而必須通過三維模型來獲得。因此，必須對現有的工藝設計流程、工藝設計方法、工藝設計軟件系統進行調整，同時，必須使相關部門人員( 如工藝、檢驗、路線分工、調度計劃、加工人員等) 能夠有能力獲得和使用從MBD數模中導出的信息，并確保該信息在生產流程中的一致性和正確性。同時，由于全三維數模為數字化加工提供了有利條件，更多的零部件將采用數字化的方法進行加工制造和檢驗，將會有更多的基于全三維的工藝指令來指導生產加工，例如裝配的三維工藝過程將通過三維視頻來實現等。因此全三維研制將改變現行的工藝體系、檢驗體系、人員組織體系及能力體系、制造加工方法等。一句話，全三維設計改變了原有的基于二維圖樣的飛機研制方法和模式，形成了新的研制技術體系。

全三維設計引起飛機制造模式的改變

    MBD模型的建立，不僅僅是設計部門的任務，工藝、工裝、檢驗都要參與到設計過程中。這就必然影響后期飛機的加工、制造和裝配，波音的MBD應用支撐體系就可說明這一點，見圖4。波音的MBD技術體系以MBD數據集為核心，借助集成產品標準管理系統（IPSM）、工藝設計管理系統、CAD系統、產品數據管理系統等，按照設計系統給出的內容組織框架實現生產、檢驗等。

圖4 波音MBD應用體系

    全三維設計使得下游制造仿真更加方便快捷，工藝工裝設計部門可以直接利用設計模型進行制造和裝配工藝仿真，生成指導工人加工裝配的三維數字化指令。同時，全三維研制不僅體現在設計制造信息的載體全部以三維模型進行承載，更重要的是會帶來制造裝備體系的不斷發展創新，將會有更多的數字化設備直接利用各類零部件的三維模型數據來驅動產品的零部件加工、生產用工裝制造、飛機的裝配等，充分體現數字化技術對技術革新的推動。由于數字化的設備直接使用數字化模型進行驅動，不再有傳統的模擬量傳遞環節，消除了形狀和尺寸的傳遞誤差，這將極大保證飛機研制的質量，實現飛機研制的精品工程。事實也是如此，重點型號研制大量采用了數控加工及成形技術、先進裝配技術、鈑金及復合材料成形技術、數字化測量技術等，取得了顯著效果（圖5）。

圖5 數字化檢驗

全三維設計促進PLM技術的應用

    在采用全三維數字化技術進行型號研制過程中，數字化應用平臺的建立至關重要。可以說，它是承載全三維數字化研制體系的載體。在全三維研制模式下，所有的零部件將以三維模型進行描述，不再有可以通過手工進行工程管理的圖紙出現。這就需要建立滿足設計、制造過程需求的全生命周期數字化應用及管理平臺，以支持零部件數據的管理、版本的控制、更改的控制、設計過程控制、生產過程控制、飛機狀態控制等。同時，從設計到制造的數字化應用平臺必須從業務邏輯、數據唯一性、流程控制等形成一體化的體系。這就對數字化應用平臺提出了前所未有的更高要求，從設計到制造的各類數字化平臺（例如數字樣機設計平臺、工藝設計平臺、生產制造執行系統、企業資源管理系統等）必須進行一體化應用集成、數據集成和流程集成，保證型號研制各類業務的連續性和數據應用的準確性；數據的源頭必須以三維模型為唯一依據，所有的工程信息、BOM信息均應從三維模型中提取，并與數字化應用平臺中的管理信息保持一致；飛機的全機狀態、零部件的三維模型版本、各類更改、各類質量問題控制單、零部件的數控加工指令、成品及相關軟件等的狀態必須保持一致，狀態管理已成為各類信息管理的靈魂。可以說，今天的數字化應用平臺的建設，必須真正體現PLM的概念，也只有通過采用PLM的理念進行數字化應用平臺建設，才能真正滿足全三維研制的需求。

    國外實力雄厚的軟件系統公司一直致力于全三維設計工具及其面向全生命周期的產品研發支持集成系統的開發，比較成熟的有法國達索公司的PLM 2.0，該集成系統通過SIMULIA、CATIA、DELIMIA等工具支持方案設計的流程控制、仿真優化、系統綜合設計，零組件詳細設計、制造工藝設計等，通過ENOVIA實現全生命周期數據和流程管理、并行協同設計等。

結束語

    縱觀全球著名飛機公司的發展，全三維數字化技術在近幾年各類飛機的研制中得到迅速發展和深入應用，已成為企業發展、流程優化、技術進步、核心能力提升的核心引擎。全三維設計技術推動了飛機數字化研制技術的全面應用。其作用主要表現在：（1）應用效果明顯，增強了企業數字化技術應用的信心。據粗略統計，在重點型號研制中全三維設計技術使得設計效率至少提高40%，在全三維設計基礎上的關聯設計使得設計迭代速度至少提高70%。由于采用全三維研制技術體系，使得機加零件數控加工率達到94%以上，數控彎管率達到100%，零件和工裝數量之比率也大大降低。可以說，如果沒有數字化技術的支撐，很難保證重點型號按節點要求研制。（2）全三維設計技術的規模化應用形成了數字化技術應用的環境和文化氛圍。正如波音總結的那樣，在推廣全三維設計技術的過程中，碰到的不僅僅是技術問題，還需要把企業從二維圖紙文化中解放出來。今天航空工業集團已經把數字化建設提升到全局高度，采取了數字化達標等手段，全面提升行業數字化綜合應用水平。（3）為數字化技術的深入應用提供了動力。當前在全三維研制基礎之上，航空工業正在全面開展性能樣機技術的知識工程技術等方面的研究和應用。（4）數字化技術應用是一個系統工程，需要技術與工程融合，在實施數字化項目過程中，需要有相應的方法論，要以型號研制為牽引，逐步推進、不斷擴大應用范圍、提高應用水平。

    可以預計在不久的將來，在全三維設計技術帶動下，涵蓋飛機方案優化設計、詳細設計、協同研制和用戶服務的全生命周期數字化集成系統將會誕生并得到全面應用，離世界先進數字化技術應用水平的差距也會越來越小。

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本文標題：三維設計推動飛機數字化研制技術的全面應用

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